Исследование тонких пленок со сложным элементным составом методами ядерного анализа

Алексей Александрович

Исследование тонких пленок со сложным элементным составом методами ядерного анализа

Изучение физических явлений в приповерхностных слоях твердых тел и разных самоподдерживающихся и поверхностных пленках особенно актуально в связи с бурным развитием интегральной схемотехники и оптоэлектроники, возрастающим использованием наноматериалов и нанотехнологий, с применением в науке, технике и производстве новых приборов и материалов, способных работать при высоких температурных, плазменных и радиационных нагрузках в течение длительного времени, веществ с особыми свойствами. При проведении исследований необходимо иметь количественные характеристики слоев атомов, как прилегающих к поверхности образца, так и находящихся на глубине до нескольких микрон. При этом важно исследовать интегральное содержание химических элементов и глубинные профили в поверхностных слоях и пленках именно тех элементов, которые кардинально влияют на свойства этих материалов и на их изменение при взаимодействии с внешней средой (температура, облучение, плазма, химическое воздействие, подложка и т. п.). Для изучения этих процессов применяются различные физические методы исследований, способные различать даже отдельные атомы и молекулы на поверхности и управлять их перемещением. Среди них свою нишу имеют неразрушающие методы ядерного анализа, основанные на использовании пучков ионов с энергиями от 0,5 до нескольких МэВ: спектрометрия обратного резерфордовского рассеяния, ядер отдачи и ядерных реакций. Эти методы являются важным и необходимым средством решения задач как аналитики, так и создания материалов и приборов с необходимыми свойствами и качествами. Они имеют высокую точность количественного анализа (лучше 5 %), локальность по глубине до 10 нм и являются неразрушающими. Необходимо отметить, что не существует универсального метода, который мог быть применен для всех комбинаций исследуемых материалов и давал бы при этом необходимую точность измерений. Набор применяемых методов исследований всегда конкретен и определяется той задачей, которую необходимо выполнить.

Ядерная техника

Диссертации

Вуз: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

ID: 5f2a944ccd3d3e0001b3ad68

UUID: 95b0e8c0-b93a-0138-11a0-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: больше 3 лет назад

Просмотры: 45

15.4

Алексей Александрович

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Комментировать 0

Рецензировать 1

Скачать - 2,8 МБ

Поделиться работой

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра физической электроники (ФЭ) Чиняков Алексей Александрович ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК СО СЛОЖНЫМ ЭЛЕМЕНТНЫМ СОСТАВОМ МЕТОДАМИ ЯДЕРНОГО АНАЛИЗА по направлению 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника» Магистерская программа «Твердотельная электроника» Диссертация на соискание степени магистра Консультант: Научный руководитель: канд. физ.-мат. наук, канд. техн. наук, с. н. с. ИЯТШ НИ ТПУ доцент каф. ФЭ ____________ В. В. Сохорева _____________ Ю. В. Сахаров Томск 2019

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра физической электроники (ФЭ) УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой ФЭ д-р техн. наук, профессор ____________ П. Е. Троян «___» __________ 2019 г. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ на магистерскую диссертацию Выдано студенту группы 317-М факультета электронной техники Чинякову Алексею Александровичу 1. Тема: Исследование тонких пленок со сложным элементным составом методами ядерного анализа. Утверждена приказом по вузу № 2723ст от «7» июня 2019 г. 2. Исходные данные: 2.1 Электростатический генератор ускоренных частиц ЭГ-5; 2.2 ПК с программой SIMNRA; 2.3 Инструкции по эксплуатации ЭГ-5 и программы SIMNRA; 2.4 Пленки диоксида кремния на кремниевых подложках: тонкая пленка диоксида кремния с примесями тяжелых элементов низкой концентрации; тонкая пленка диоксида кремния с примесями углерода,

водорода и дейтерия; тонкая пленка диоксида кремния с примесями углерода и азота. 3. Содержание (перечень подлежащих разработке вопросов): 3.1 Изучение методов ядерного анализа с использованием пучков заряженных частиц; 3.2 Применение методов ядерного анализа для определения толщины и элементного состава тонких пленок со сложным элементным составом; 3.3 Формирование выводов касательно проведенных исследований; 3.4 Оценка экономической эффективности проведенной работы; 3.5 Экологическое обеспечение эксперимента. 4. Заключение по диссертационной работе и формулировка рекомендаций. 5. Перечень приложений: 5.1 Модели для описания экспериментальных спектров резерфордовского обратного рассеяния, ядер отдачи и ядерных реакций; 5.2 Экспериментальные и модельные энергетические спектры ядерных реакций кислорода при различных начальных энергиях ионов гелия. ЗАДАНИЕ СОГЛАСОВАНО Консультант по нормам и требованиям ЕСКД Каранский В. В., старший преподаватель каф. ФЭ «___» __________ 2019 г. Подпись ______________ Руководитель работы Сахаров Ю. В., доцент каф. ФЭ, канд. техн. наук «___» __________ 2019 г. Подпись ______________

Консультант Сохорева В. В., с. н. с. ИЯТШ НИ ТПУ, канд. физ.-мат. наук «___» __________ 2019 г. Подпись ______________ Задание принял к исполнению Чиняков А. А., студент гр. 317-М «___» __________ 2019 г. Подпись ______________

5 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 7 1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ЯДЕРНОГО АНАЛИЗА ............. 12 1.1 Мгновенные методы ядерного анализа ..................................................... 12 1.2 Взаимодействие заряженных частиц с твердыми телами ........................ 14 1.3 Твердотельные полупроводниковые детекторы ....................................... 16 1.4 Метод резерфордовского обратного рассеяния ........................................ 20 1.5 Метод ядер отдачи ....................................................................................... 23 1.6 Метод ядерных реакций .............................................................................. 25 1.7 Выводы по первой главе.............................................................................. 28 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ .................................................................................................... 29 2.1 Электростатический генератор ЭГ-5 ......................................................... 29 2.2 Программное обеспечение SIMNRA ......................................................... 33 2.3 Выводы по второй главе .............................................................................. 42 3 КОМПЛЕКСНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ЯДЕРНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК СО СЛОЖНЫМ ЭЛЕМЕНТНЫМ СОСТАВОМ ............................................................................ 44 3.1 Исследование толщины и элементного состава пленок с помощью резерфордовского обратного рассеяния .......................................................... 44 3.2 Исследование глубинного профиля распределения водорода и дейтерия в пленках с помощью ядер отдачи ................................................................... 48 3.3 Определение процентного содержания кислорода в пленках методом ядерных реакций ................................................................................................ 55 3.4 Влияние ускоренных ионов и продуктов ядерных реакций на человека .......................................................................................................... 63 3.5 Экономическая сторона использования методов ядерного анализа для исследования тонких пленок со сложным элементным составом ................ 64 3.6 Выводы по третьей главе............................................................................. 64

6 ВЫВОДЫ ............................................................................................................... 66 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................................... 67 ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) Модели для описания экспериментальных спектров резерфордовского обратного рассеяния ............................................. 74 ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное) Модели для описания экспериментальных спектров ядер отдачи ............................................................................................ 76 ПРИЛОЖЕНИЕ В (обязательное) Модели для описания экспериментальных спектров ядерных реакций ................................................................................... 77 ПРИЛОЖЕНИЕ Г (обязательное) Экспериментальные и модельные энергетические спектры ядерных реакций кислорода при различных начальных энергиях ионов гелия......................................................................... 79 ПРИЛОЖЕНИЕ Д (справочное) Техника безопасности при работе на электростатическом генераторе ........................................................................... 84

7 ВВЕДЕНИЕ Изучение физических явлений в приповерхностных слоях твердых тел и разных самоподдерживающихся и поверхностных пленках особенно актуально в связи с бурным развитием интегральной схемотехники и оптоэлектроники [1, 2], возрастающим использованием наноматериалов и нанотехнологий, с применением в науке, технике и производстве новых приборов и материалов, способных работать при высоких температурных, плазменных и радиационных нагрузках в течение длительного времени, веществ с особыми свойствами [3]. При проведении исследований необходимо иметь количественные характеристики слоев атомов, как прилегающих к поверхности образца, так и находящихся на глубине до нескольких микрон [4]. При этом важно исследовать интегральное содержание химических элементов и глубинные профили в поверхностных слоях и пленках именно тех элементов, которые кардинально влияют на свойства этих материалов и на их изменение при взаимодействии с внешней средой (температура, облучение, плазма, химическое воздействие, подложка и т. п.) [5]. Для изучения этих процессов применяются различные физические методы исследований, способные различать даже отдельные атомы и молекулы на поверхности и управлять их перемещением [6]. Среди них свою нишу имеют неразрушающие методы ядерного анализа, основанные на использовании пучков ионов с энергиями от 0,5 до нескольких МэВ [7, 8]: спектрометрия обратного резерфордовского рассеяния, ядер отдачи и ядерных реакций. Эти методы являются важным и необходимым средством решения задач как аналитики, так и создания материалов и приборов с необходимыми свойствами и качествами. Они имеют высокую точность количественного анализа (лучше 5 %), локальность по глубине до 10 нм и являются неразрушающими. Необходимо отметить, что не существует универсального

8 метода, который мог быть применен для всех комбинаций исследуемых материалов и давал бы при этом необходимую точность измерений. Набор применяемых методов исследований всегда конкретен и определяется той задачей, которую необходимо выполнить [9]. Актуальность. Актуальность заключается в необходимости отладки методики комплексного исследования стехиометрии пленок сложного состава на основе методов ядерного анализа. Цель работы. Целью работы является исследование тонких пленок со сложным составом методами ядерного анализа. Задачи исследования. Для достижения поставленной цели была сформулирована и решена задача: 1) Применить методы ядерного анализа для изучения стехиометрии тонких пленок сложного состава. Объект исследования. Объектом исследования являются образцы тонких пленок диоксида кремния с примесями легких и тяжелых элементов. Предмет исследования. Основное внимание уделено комплексному применению методов ядерного анализа для исследования тонких пленок диоксида кремния с примесями легких и тяжелых элементов. Научная новизна. Научная новизна проведенных исследований заключается в разработке методики комплексного исследования стехиометрии пленок сложного состава на основе методов ядерного анализа. Положения, выносимые на защиту. Положениями, выносимыми на защиту, являются: 1) Предложена методика перевода толщины слоев образца из ат/см2 в метрическую систему мер, позволяющая с высокой точностью оценивать толщину слоев образца при наличии значений плотности каждого слоя исследуемого образца. 2) Разработана комплексно-аналитическая методика исследования стехиометрии пленок сложного состава на основе методов ядерного анализа.

9 Методы исследования. Для достижения поставленной цели были использованы методы резерфордовского обратного рассеяния, ядер отдачи и ядерных реакций. Для построения моделей экспериментальных спектров применялось программное обеспечение SIMNRA 7.01, для построения глубинных профилей концентрации – Microsoft Excel 2018, для аналитических расчетов – Mathcad 15. Практическая значимость. Результаты исследований могут быть широко использованы при разработке технологий изготовления полупроводниковых приборов. Достоверность. Достоверность результатов исследований подтверждается предыдущими исследованиями в этой области. Личный вклад автора. Автором совместно с научным руководителем и консультантом формулировались цель и задачи исследований, обсуждались пути их решения, анализировались результаты экспериментов, а также проводилось обобщение полученных результатов исследований. Личный вклад автора заключается в выборе направлений исследований, организации экспериментов, получении экспериментальных данных и обработке экспериментальных спектров с помощью программного обеспечения SIMNRA. Облучение образцов осуществлялось совместно с коллективом ЛНФ имени И. М. Франка ОИЯИ (Лаборатории Нейтронной Физики имени И. М. Франка Объединенного Института Ядерных Исследований) в городе Дубна на предоставленном оборудовании для экспериментов. Автор выражает благодарность старшему научному сотруднику ЛНФ ОИЯИ, доктору физикоматематических наук Кобзеву Александру Павловичу за помощь в организации экспериментов, обработке экспериментальных спектров и формировании выводов касательно проведенных исследований. Список публикаций. По теме диссертационной работы в соавторстве с консультантом опубликовано 4 статьи.

10 1 Чиняков, А. А. Исследование толщины и элементного состава пленок с помощью методики резерфордовского обратного рассеяния / А. А. Чиняков, В. В. Сохорева // XIV Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления»: Материалы докладов. – Томск: В-Спектр, Т. 1, 2018. – С. 43-46. 2 Чиняков, А. А. Определение глубинного профиля концентрации водорода и дейтерия с помощью методики ядер отдачи / А. А. Чиняков, В. В. Сохорева // XIV Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления»: Материалы докладов. – Томск: В-Спектр, Т. 1, 2018. – С. 40-43. 3 Чиняков, А. А. Применение методики ядерных реакций для определения процентного содержания кислорода в тонких пленках / А. А. Чиняков, В. В. Сохорева // Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР по материалам Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2019». – Томск: В-Спектр, Т. 1, 2019. – С. 121-124. 4 Чиняков, приповерхностных А. слоев А. твердых Изучение тел с элементного состава использованием методики характеристического рентгеновского излучения / А. А. Чиняков, В. В. Сохорева // Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР по материалам Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2019». – Томск: ВСпектр, Т. 1, 2019. – С. 118-120. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, теоретической главы, главы по изучению экспериментального оборудования и программного обеспечения, экспериментальной главы, заключения, списка литературы и пяти приложений. Объем диссертационной работы составляет 85 страниц машинного текста, включая 29 рисунков, 36 формул, 13 таблиц и список литературы из 60 наименований. В соответствии с поставленными задачами вся диссертационная работа разделена на три главы.

11 Первая глава посвящена обзору существующих методов ядерного анализа, в частности методов резерфордовского обратного рассеяния, ядер отдачи и ядерных реакций. Во второй использованное главе для электростатический описано получения генератор экспериментальное экспериментальных ЭГ-5, и программное оборудование, спектров – обеспечение, использованное для обработки экспериментальных спектров – программа SIMNRA. В третьей главе описывается процесс получения и обсуждения экспериментальных результатов, экологические и экономические аспекты проведенных исследований.

12 1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ЯДЕРНОГО АНАЛИЗА В данной главе рассмотрены существующие методы ядерного анализа поверхности полупроводниковых структур и материалов, в частности методы резерфордовского обратного рассеяния, ядер отдачи и ядерных реакций. Описан процесс взаимодействия заряженных ионов с атомами твердого тела, представлена основная формула, описывающая данное явление – резерфордовское сечение рассеяния. Рассмотрены устройство, принцип работы и технологии получения твердотельных полупроводниковых детекторов. 1.1 Мгновенные методы ядерного анализа В настоящее время для исследования состава и свойств поверхности твердого тела широко применяются пучки быстрых ионов. Для аналитических целей используются как рассеяние ионов, так и вторичные процессы, происходящие при взаимодействии ионов с атомами исследуемого вещества. В мгновенных методах ядерного анализа (МЯА) в виде возбуждающего излучения используются пучки протонов, ионов гелия, кислорода и т.д. с энергиями порядка 1-3 МэВ, которые взаимодействуют с атомами и ядрами атомов вещества с образованием заряженных частиц и рентгеновского излучения. Время такого взаимодействия не превышает 10-8 сек [10]. Наиболее важные взаимодействия между налетающими частицами и атомами представляются следующими [10]: 1) резерфордовское рассеяние в кулоновском поле ядра мишени; 2) упругое рассеяние между двумя ядрами в результате ядерного взаимодействия; 3) частиц. ядерные реакции с эмиссией гамма излучения или заряженных

13 Каждый из этих процессов лежит в основе одного метода анализа. На регистрации рассеянных под большими углами падающих частиц – метод резерфордовского обратного рассеяния РОР (RBS – Rutherford backscattering spectrometry), регистрации гамма лучей и заряженных частиц из ядерных реакций в общем случае – метод ядерных реакций МЯР (NRA – nuclear reaction analysis), регистрации выбитых из образца ядер отдачи – метод ЯО (ERDA – elastic recoil detection analysis) [10]. На рисунке 1.1 приведена качественная схема взаимодействия налетающих частиц с анализируемым образцом [10]. Рисунок 1.1 – Методы ядерного анализа Мгновенные МЯА относятся к неразрушающим методам анализа и контроля и позволяют без разрушения анализируемого образца определять [10]: 1) элементный состав; 2) изотопный состав; 3) профили концентраций;

14 4) толщины и состав покрытий, пленок; 5) структурный состав; 6) локальное распределение элементов; 7) пространственное распределение элементов. МЯА широко используются в различных областях науки и производства. В настоящее время определен круг аналитических задач, где МЯА имеют доминирующее положение. Кроме этого, МЯА позволяют изучать процессы окисления, диффузию, имплантационные профили, механизмы роста тонких слоев, загрязнения приповерхностных слоев при различных обработках, местоположение атомов примесей в решетке, поверхностные реакции и т.д., что представляет интерес для физики твердого тела, физики металлов и сплавов, физики радиационных повреждений, полупроводниковой техники и микроэлектроники [10]. 1.2 Взаимодействие заряженных частиц с твердыми телами При взаимодействии с твердыми телами заряженные частицы теряют энергию. Основные принципы теоретического описания потерь энергии частиц. при взаимодействии их с твердым телом сформулировал Бор [11]. Совместный эффект всех столкновений вызывает постепенное торможение и рассеяние частиц. Торможение принято характеризовать энергией, растрачиваемой частицей на единицу длины пути в веществе, т.е. величиной dE/dx, называемой удельной потерей энергии. Обозначим массу покоящейся частицы M2, а массу движущейся – М1. Скорость движения частицы в лабораторной системе координат – V0. После соударения скорости частиц становятся равными V1 и V2, и они разлетаются под углами θ1 и θ2 к направлению вектора V0. На рисунке 1.2 представлена схема упругого столкновения покоящейся частицы с движущейся [11].

15 Рисунок 1.2 – Схема упругого столкновения В нерелятивистском случае из законов сохранения энергии и импульса можно записать связь между начальной энергией падающей частицы E0 и энергиями рассеянных частиц Е1 и Е2 [1]: 2 𝐸1 = 𝐸0 ∙ ( 2 𝑀1 2 𝑀 ) ∙ [𝑐𝑜𝑠(𝜃1 ) ± √( 2⁄𝑀 ) − (𝑠𝑖𝑛(𝜃1 )) ] ; 1 𝑀1 + 𝑀2 (1.1) 2 4 ∙ 𝑀1 ∙ 𝑀2 ∙ (𝑐𝑜𝑠(𝜃2 )) 𝐸2 = 𝐸0 ∙ , (𝑀1 + 𝑀2 )2 где E0 – начальная энергия падающей частицы; Е1 – энергия рассеяния первой частицы; Е2 – энергия рассеяния второй частицы; θ1 – угол рассеяния первой частицы; θ2 – угол рассеяния второй частицы; М1 – масса движущейся частицы; M2 – масса покоящейся частицы. (1.2)

16 При M1 > M2 в формуле (1.1) возможны оба знака перед радикалом, а в случае M1 < M2 только знак плюс [1]. Формулы (1.1) и (1.2) получены при применении только законов сохранения энергии и импульса сталкивающихся частиц и поэтому справедливы для любого потенциала взаимодействия между частицами. Важнейшей характеристикой процесса рассеяния является сечение рассеяния, которое определяется по формуле Резерфорда: 2 𝑑𝜎 𝑍1 ∙ 𝑍2 ∙ 𝑞 2 1 =( ∙ , ) 𝑑𝛺 2 ∙ 𝑚 ∙ 𝑉2 𝑠𝑖𝑛4 (𝜃⁄2) (1.3) где Z1, Z2 – заряды ядер нелетающей частицы и мишени; m, V – масса и скорость налетающей частицы; θ – угол рассеяния; q – элементарный заряд налетающей частицы; 𝑑𝜎 – сечение рассеяния; 𝑑𝛺 – телесный угол. Согласно формуле (1.3), при столкновении частицы с ядром, вся кинетическая энергия частицы превращается в потенциальную энергию, вследствие чего частица останавливается. В этот момент расстояние от частицы до центра ядра является максимально возможным радиусом самого ядра. 1.3 Твердотельные полупроводниковые детекторы Для регистрации рассеянных ионов в методе методах ядерного анализа используются твердотельные полупроводниковые детекторы ядерных частиц. В качестве примера на рисунке 1.3 показана структура кремниевого детектора [12].

17 Рисунок 1.3 – Структура кремниевого детектора Полупроводниковый детектор представляет собой полупроводниковый диод, на который подано обратное (запирающее) напряжение (~ 10 2 В) [12]. Слой полупроводника вблизи границы р-n перехода) с объёмным зарядом «обеднён» носителями тока (электронами проводимости и дырками) и обладает высоким удельным электросопротивлением [13]. По технологии изготовления ППД делятся на [14]: 1) диффузионные с n-p или p-n переходом; 2) поверхностно-барьерные; 3) диффузионно-дрейфовые; 4) радиационные с p-i-n переходом. В диффузионных детекторах [16] n-p переход расположен вблизи поверхности кристалла, поэтому частице не надо проходить через толстый нечувствительный слой вещества. В качестве n-примеси в диффузных детекторах применяют фосфор, который наносят на поверхность кремния pтипа. Тонкий слой фосфора с избытком компенсирует p-проводимость и на расстоянии, равном толщине диффузии, образуется n-p переход. Приложенное обратное смещение создает обеднённый слой толщиной ~1 мм. Можно создавать n-p переход путем диффузии p-материала (например, В или Ga) в кристалле n-типа.

18 Поверхностно-барьерные детекторы [16] похожи на диффузные, но изготавливаются следующим образом: на поверхности материала n-типа создается (обычно травлением) p-слой. Затем на поверхность наносят тонкий слой золота. Известно, что когда металл находится в контакте с полупроводником, то на их границе возникает электростатический барьер, препятствующий проникновению носителей из полупроводника в металл и обратно. При приложении обратного напряжения к границе металл– проводник возникает обедненный носителями слой [17], толщина которого в Si может быть доведена до нескольких миллиметров. Поверхностнобарьерные детекторы могут быть изготовлены на основе Si или Ge [18], но в случае Ge они используются только при температуре жидкого азота (Т = 77 К) из-за большой величины тока утечки при комнатной температуре. Детекторы на основе Si могут использоваться при Т = 300 К. Поверхностнобарьерные и диффузионные детекторы используют для регистрации и спектрометрии тяжелых заряженных частиц и осколков деления. Толщина чувствительного слоя диффузных и поверхностно-барьерных детекторов ограничена удельным сопротивлением применяемых материалов. Для регистрации γ-квантов и частиц с высокой энергией, ионизирующая способность которых мала, оба рассмотренные выше типа детекторов непригодны, поэтому для этих целей используются диффузионно-дрейфовые детекторы [19]. Для получения больших объемов, обедненных носителями, Пелл в 1960 г. предложил способ компенсации примесных носителей ионами лития. Ионы лития, которые являются донорами, сравнительно легко диффундируют в Si и Ge и компенсируют акцепторы в материале p-типа [20]. Толщина обедненного слоя в таком детекторе зависит от условий дрейфа (температуры, напряжения, приложенного к образцу и т.д.). В настоящее время получены большие кристаллы Ge(Li) [21] с объемом чувствительного слоя ~200 см3 и более, что позволяет создавать детекторы для регистрации γ-излучения с высокой эффективностью. При комнатной температуре происходит обратная диффузия ионов лития к поверхности кристалла

19 (процесс обратной диффузии), причем, необратимо ухудшается разрешение детекторов. По этой причине Ge(Li) детекторы работают и хранятся при температуре жидкого азота. Их основное назначение – спектрометрия γизлучения. Процесс их эксплуатации осложнен постоянной потребностью в жидком азоте. Использование новых технологий получения сверх чистых (HP – high pure) материалов на основе германия (HPGe) и кремния (HPSi) [22], привело к созданию детекторов, которые могут находиться при комнатной температуре без деградации характеристик и охлаждаются только на время измерения. Характеристики таких детекторов несколько лучше, чем у предыдущего поколения детекторов того же типа. В настоящее время разработаны технологии изготовления детекторов из CdTe, GaAs, CdZnTe, CdTe [23] и других полупроводниковых материалов. Поскольку материал этих детекторов обладает более высоким Z, чем германиевые детекторы (ZCd = 48, ZTe= 52 – по сравнению с ZGe= 32), их эффективность достаточно высока, особенно при измерениях мягкого γ- и рентгеновского излучений. Их разрешающая способность при комнатной температуре выше, чем у сцинтилляционных детекторов NaI(Tl), а при охлаждении детекторов CdZnTe и CdTe она может быть значительно улучшена: до 250 эВ при Eγ = 5,9 кэВ и 700 эВ при Eγ = 59,54 кэВ, т.е. почти как у Ge детекторов. Дрейфовые, диффузные и поверхностно-барьерные детекторы являются основными типами полупроводниковых приборов, используемых для регистрации ядерных излучений. На основе полупроводниковых детекторов созданы специальные типы детекторов, которые используются для решения отдельных задач, такие как радиационно-дрейфовые детекторы с p-i-n переходом [24]. Большие преимущества даёт применение полупроводниковых детекторов в спектрометрии γ-квантов. Германий имеет довольно высокий атомный номер Z = 32, и поэтому эффективное сечение взаимодействия γ-квантов велико (вероятность фотоэффекта пропорциональна Z5, комптон-эффекта – Z, рождения пар – Z2). Чтобы добиться наилучшего энергетического разрешения германиевые кристаллы

20 во время эксперимента охлаждают до температуры жидкого азота (77 К). Энергетическое разрешение германиевых детекторов при регистрации γквантов достигает 0,1 %, что в десятки раз выше, чем у сцинтилляционных детекторов. Временное разрешение лучших ППД достигает 10–8–10–9 с. 1.4 Метод резерфордовского обратного рассеяния МЯА твердых тел, так называемый метод обратного резерфордовского рассеяния, основан на применении физического явления – упругого рассеяния ускоренных частиц на большие углы при их взаимодействии с ядрами вещества [25]. Этот метод достаточно давно применяется в ядерной физике для определения состава мишеней с помощью анализа энергетических спектров обратнорассеянных частиц [25]. Аналитические возможности резерфордовского рассеяния легких частиц широко используются в различных областях физики и техники [25]. На рисунке 1.4 показана упрощенная схема установки резерфордовского обратного рассеяния (РОР) [26]. 1 – ускоритель; 2 – коллиматор; 3 – пучок быстрых заряженных частиц; 4 – мишень; 5 – угол рассеяния; 6 – рассеянные частицы; 7 – детектор ядерных частиц. Рисунок 1.4 – Схема эксперимента по резерфордовскому обратному рассеянию

21 Пучок ускоренных заряженных частиц массой М1 порядковым номером Z1 в периодической системе и энергией Е0 падает на поверхность объекта исследования 3, состоящего из элементов, масса и порядковый номер атомов которых М2 и Z2 соответственно [27]. Ионы в пучке рассеиваются на атомах мишени на большие углы 5, что приводит к выходу из мишени рассеянных частиц 6 [27]. Количество рассеянных ионов, покинувших мишень в пределах телесного угла детектора, определяемого его входным отверстием, регистрируется, а также их энергия регистрируется детектором 7, что показано на рисунке 3.2 [27]. На рисунке 1.5 показана схема столкновения двух частиц с рассеянием на большие углы. Рисунок 1.5 – Схема столкновения двух частиц с рассеянием на большой угол Падающий пучок ионов с массой М1 и энергией Е0 сталкивается с атомом мишени массой М2 и рассеивается под углом θ с энергией Е1 (рисунок 1.4). Моноэнергетические ионы, упруго соударяясь с ядрами атомов вещества, передают им часть своей энергии [28]. Из классической механики известно, что если частица с энергией E0 и массой M1 упруго взаимодействует с неподвижной частицей с массой M2, то энергия первой частицы после рассеяния на угол θ будет равна [28]: 𝐸𝑝 = 𝑘 ∙ 𝐸0 , (1.4)

22 где 𝐸𝑝 – энергия регистрации, кэВ; 𝑘 – кинематический фактор; 𝐸0 – начальная энергия, кэВ. В свою очередь кинематический фактор определяется по формуле [14]: 2 𝑀1 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝜃) + √(𝑀2 )2 − (𝑀1 )2 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝜃) 𝑘=( ) , 𝑀2 + 𝑀1 (1.5) где 𝑀1 – атомная масса иона 𝐻𝑒24 , г⁄моль; 𝑀2 – атомная масса атома исследуемого образца, г⁄моль. Рисунок 1.6 иллюстрирует типичный спектр энергии в опытах по обратному рассеянию. В качестве примера показан спектр энергии пучка He с начальной энергией 1 МэВ, рассеянного на мишени Si, содержащей атомы более тяжелой примеси Sb (сурьмы), которые находятся недалеко от поверхности [29]. Рисунок 1.6 – Спектр ионов He, рассеянных на мишени Si, содержащей примесные атомы Sb Форма этого спектра обусловлена [30]:

23 1) потерями энергии в процессе упругого рассеяния; 2) неупругими потерями энергии во время прохождения частицы через кристалл; 3) зависимостью сечения рассеяния (резерфордовского сечения) от энергии ионов. 1.5 Метод ядер отдачи В основе метода ядер отдачи лежит физический принцип идентичный таковому в методе РОР. Отличие состоит в том, что в методе ЯО аналитический сигнал получается в результате регистрации ядер, выбитых из поверхностных слоев анализируемого объекта. Ядра отдачи движутся в переднюю полусферу. Метод ЯО используется для неразрушающего анализа и исследования глубинного профиля распределения легких элементов, например, водорода и дейтерия, в тяжелой матрице. В диапазоне легких ядер сечение взаимодействия приближенно зависит только от параметров налетающих ионов и пропорционально Z1/E0 (где Z1, E0 - это заряд и энергия налетающих ионов). Это обстоятельство позволяет определять полные профили легких элементов одновременно. Ионы пучка должны быть более массивными по сравнению с выбитыми ядрами и обладать энергией до 3 МэВ [31]. На рисунке 1.7 приведена схема эксперимента по регистрации ядер отдачи [32].

24 Рисунок 1.7 – Схема эксперимента по регистрации ядер отдачи Как видно из схемы эксперимента, в данном случае одновременно регистрируются спектры резерфордовского обратного рассеяния и ядер отдачи от одного и того же образца. Когда ускоренные частицы He бомбардируют образец, то часть из них рассеивается под большим углом и попадает на детектор РОР, позволяя тем самым определить глубинные профили тяжелых элементов образца, а часть частиц выбивает из образца под малым углом ядра легких элементов, таких как водород и дейтерий. Ионы He рассеиваются под углом наблюдения ядер отдачи с большой интенсивностью, поскольку сечение рассеяния для этого угла довольно большое. Для того, чтобы избавиться от рассеянных ионов He, перед детектором ЯО помещается фильтр, например, алюминиевая пластина, в структуре которой ионы He полностью поглощаются, а выбитые из мишени ядра водорода и дейтерия теряют только часть своей энергии. Таким образом

25 детектор ЯО регистрирует спектр только выбитых из мишени ядер отдачи [31]. 1.6 Метод ядерных реакций Среди МЯА твердых тел основным методом для определения элементного состава и толщины приповерхностных слоев образца является метод РОР. При этом энергия ионов не должна превышать кулоновский барьер [33]. Кулоновский барьер — потенциальный барьер, который необходимо преодолеть атомным ядрам (которые заряжены положительно) для того, чтобы сблизиться друг с другом для возникновения притяжения, вызванного короткодействующим сильным взаимодействием нуклонов (ядерными силами) [33]. Кулоновский барьер есть следствие того, что, согласно закону Кулона, одноименно заряженные тела отталкиваются. На малых расстояниях (порядка 1 фм) ядерные силы между двумя протонами сильнее кулоновских сил, расталкивающих одноименно заряженные частицы, однако ядерные силы убывают с ростом расстояния значительно быстрее кулоновских сил (рисунок 1.8) [33]. Рисунок 1.8 – Сила взаимодействия двух протонов или двух легких ядер как функция расстояния между ними

26 В результате зависимость суммарного потенциала взаимодействия ядер от расстояния имеет максимум (вершину кулоновского барьера) на некотором расстоянии [18]. Величина кулоновского барьера определяется формулой: 𝑍1 ∙ 𝑍2 ∙ 𝑞 2 𝐵к = , 𝑅 где 𝑍1 – атомный номер налетающей частицы; 𝑍2 – атомный номер ядра; 𝑞 – заряд электрона, равный 1,6 ∙ 10−19 К; 𝑅 – эффективный радиус ядра (расстояние, на котором сильное взаимодействие начинает преобладать над кулоновским). Если налетающие ионы имеют энергию, позволяющую им преодолеть кулоновский барьер, то образуется составное ядро, которое затем претерпевает явление спонтанного распада [35]. Данный процесс помимо испускания элементарных частиц сопровождается испусканием γ-квантов, что обеспечивает поддержание необходимого энергетического баланса, возникает резонанс (рисунок 1.9) [35]. Рисунок 1.9 – Резонанс На данном явлении основан метод ядерных реакций (МЯР). Интенсивность ядерных процессов немонотонно зависит от энергии

27 зондирующего пучка. Такое явление аналогично резонансному. Указанные обстоятельства могут быть использованы для определения содержания легких элементов по глубине образца. Важно, что вследствие наличия кулоновского барьера ядра тяжелых элементов вступают в реакции при существенно больших энергиях, чем ядра лёгких элементов. В целом, для обычных ускорителей область энергий, соответствующих ядерным реакциям тяжелых элементов, недостижима. В связи с этим МЯР ориентирована прежде всего на определение легких элементов в тяжелых матрицах. В этом смысле МЯР дополняет метод РОР, ориентированный прежде всего на определение тяжелых элементов [35]. В МЯР есть понятие ширины резонанса. Это величина, располагающаяся на полувысоте резонансного пика и представляющая собой расстояние от наименьшего значения энергии регистрации до наибольшего [36]. На рисунке 1.10 представлена зависимость сечения ядерной реакции (ЯР) от энергии регистрации. Рисунок 1.10 – Зависимость сечения ядерной реакции от энергии регистрации На рисунке 1.10 𝜎𝑚 – сечение ядерной реакции, 1⁄2 𝜎𝑚 – эффективное сечение ядерной реакции, Г – ширина гигантского резонанса. Ширина

28 резонанса характеризуется эффективным сечением ядерной реакции. Эффективное сечение ядерной реакции – величина, характеризующая вероятность взаимодействия частицы с ядром. С помощью известных эффективных сечений вычисляют скорости ядерных реакций или количество прореагировавших частиц. Следовательно, зная эффективное сечение ядерной реакции, по количеству прореагировавших частиц можно вычислить глубину залегания максимальной концентрации определенного элемента в образце [36]. 1.7 Выводы по первой главе 1. В мгновенных методах ядерного анализа (МЯА) в виде возбуждающего излучения используются пучки протонов, ионов гелия, кислорода и т.д. с энергиями порядка 1-3 МэВ, которые взаимодействуют с атомами и ядрами атомов вещества с образованием заряженных частиц и рентгеновского излучения. 2. МЯА основываются на процессах, происходящих при взаимодействии налетающих ионов и атомов поверхности твердого тела. На регистрации рассеянных под большими углами падающих частиц – метод резерфордовского обратного рассеяния РОР (RBS – Rutherford backscattering spectrometry), регистрации гамма лучей и заряженных частиц из ядерных реакций в общем случае – метод ядерных реакций МЯР (NRA – nuclear reaction analysis), регистрации выбитых из образца ядер отдачи – метод ЯО (ERDA – elastic recoil detection analysis). 3. Каждый конкретный метод не дает полной информации о составе, поэтому в работе рассматривается комплекс методов.

29 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ В данной оборудования, главе представлено использованного для описание экспериментального проведения экспериментов, и программного обеспечения, использованного для анализа результатов экспериментов. Для облучения исследуемых образцов был применен электростатический генератор ЭГ-5, расположенный в ЛНФ имени И. М. Франка ОИЯИ в городе Дубна. Представлено подробное описание его конструкции, характеристик и принципа работы. С помощью программного обеспечения SIMNRA была проведена обработка экспериментальных спектров. Представлена физика, связанная с моделированием спектра обратного рассеяния в SIMNRA. Также представлено описание возможностей данного ПО и пути их реализации. 2.1 Электростатический генератор ЭГ-5 Облучение исследуемых образцов было проведено на базе электростатического генератора ЭГ-5, расположенного в ЛНФ имени И. М. Франка ОИЯИ в городе Дубна. Техника безопасности при работе на установке представлена в приложении Д. Конструктивно ЭГ-5 представляет собой генератор Ван де Граафа, схематическое изображение которого представлено на рисунке 2.1 [37].

30 1 – участок ленты с положительными зарядами; 2 – щетка для переноса заряда с высоковольтного источника; 3 – колонна; 4 – участок ленты с отрицательными зарядами; 5 – диэлектрический шкив; 6 – металлическая полусфера (накопитель заряда); 7 – щетка для переноса заряда с ленты на металлическую полусферу. Рисунок 2.1 – Конструкция ЭГ-5 В состав ЭГ-5 входят [38]: 1) диэлектрическая лента, двигающаяся со скоростью 20 м/c на 2-х вращающихся шкивах; 2) 2 шкива. Нижний шкив выполнен из металла и вращается электродвигателем, а верхний шкив изготовлен из диэлектрика;

31 3) полый металлический электрод в виде полусферы, внутри которого находится верхний шкив и источник ионов. Этот электрод укреплен на изоляторе; 4) источник высокого напряжения. Нижний шкив заземлен. На нижнюю поверхность движущейся ленты заряды наносятся от высоковольтного выпрямителя. На верхней и нижней частях ленты установлены электроды, выполненные в виде щетки. Верхний электрод соединен с полой полусферой. С источника высокого напряжения нижним щеточным электродом на диэлектрическую ленту наносятся положительные заряды. Эти заряды транспортируются к полому полусферическому электроду. С помощью верхнего щеточного электрода эти заряды снимаются с ленты и попадают на поверхность сферического электрода. С течением времени происходит накапливание заряда и повышение потенциала этого электрода относительно земли. Далее в ионном источнике создаются ионы, которые ускоряются с помощью ускорительной трубки, состоящей из 140 секций. Вся конструкция помещается в герметичный корпус, который наполняется сухим азотом (или любым газом с большой электрической прочностью), что обеспечивает изоляцию высоковольтной части ускорителя [38]. Электростатический генератор ЭГ-5 обладает следующими характеристиками: 1) диапазон энергий: 0,9 – 3,1 МэВ; 2) ускоряемые частицы: однозарядные ионы Н, D и He; 3) интенсивность пучков ускоренных частиц: протонов до 20 мкА, He до 5 мкА; 4) энергетический разброс: менее 500 эВ; 5) точность выставления энергии: до 2 кэВ; 6) ускоритель вертикальный экспериментальных каналов. с тремя магнитами, всего 6

32 Для управления потоком ускоренных частиц и направления его на исследуемые образцы используется система поворотных магнитов. Блоксхема системы поворотных магнитов представлена на рисунке 2.2. ЭК – экспериментальная камера; ПМ – поворотные магниты; ЛЗ – левый зал; ПЗ – правый зал. Рисунок 2.2 – Блок-схема системы поворотных магнитов Как видно из рисунка 2.2, система поворотных магнитов состоит из 3 магнитов. Анализ рассеянных ионов проводится с помощью спектрометрического тракта, блок-схема которого представлена на рисунке 2.3. ППД – полупроводниковый детектор; АЦП – амплитудно-цифровой преобразователь; ПК – персональный компьютер. Рисунок 2.3 – Блок-схема спектрометрического тракта Как видно из рисунка 2.3, спектрометрический тракт состоит из кремниевого поверхностно-барьерного детектора, предусилителя, основного усилителя и АЦП, установленного в ПК.

33 Принцип работы установки заключается в следующем: ионы, ускоренные в ЭГ-5, направляются по ионопроводу в левый или правый зал в зависимости от выбранного направления магнитного поля первого магнита, а далее они направляются в один их шести экспериментальных каналов, на котором находится камера исследования. 2.2 Программное обеспечение SIMNRA SIMNRA – это программа для моделирования спектров обратнорассеянных ионов от поверхности образцов, а также вторичных процессов, протекающих при данном явлении [39]. За последние десятилетия было разработано несколько программ для моделирования спектров обратного рассеяния. Наиболее распространенным ПО для этих целей являлась программа Doolittle’s RUMP [40, 41]. Тем не менее, RUMP использовала несколько приближений для экономии вычислительного времени. Увеличение компьютерной мощности в последние годы позволило отказаться от нескольких приближений, используемых в RUMP. Например, SIMNRA предлагает больше свободы в использовании нерезерфордовских сечений и ядерных реакций, более точно учитывает такие явления, таких как страгглинг (энергетическое отклонение) и конверсия, и принимает во внимание новые явления, такие как двойное рассеяние. Для расчета модельного спектра в SIMNRA используется метод Монте-Карло. Рассмотрим физику, связанную с моделированием спектра обратного рассеяния, выполняемого SIMNRA. В процессе моделирования мишень разделяется на мелкие подслои. Каждый моделируемый спектр состоит из наложенных вкладов каждого элемента каждого подслоя образца-мишени. Толщина подслоя выбирается таким образом, чтобы потери энергии в каждом подслое составляли ширину шага входящих частиц. Когда падающие частицы проникают в подслой, они теряют энергию из-за электронных и ядерных потерь энергии, а энергия

34 пучка распространяется из-за отставания. SIMNRA рассчитывает энергию обратно рассеянных частиц от образца, а также энергию этих частиц при достижении детектора после прохождения к поверхности мишени и перемещению фольги перед детектором, что показано на рисунке 2.4. E0 – пучок ускоренных частиц с начальной энергией; ∆х – толщина слоя; Q – число обратнорассеянных частиц. Рисунок 2.4 – Иллюстрация к расчету энергии обратнорассеянных частиц от образца Для учитывания энергетического отклонения и энергетического разрешения детектора процесс описывается распределением Гаусса f (E, σ2) с шириной: 2 2 𝜎 2 = 𝜎𝑆𝑡𝑟𝑎𝑔𝑔𝑙𝑖𝑛𝑔 𝑂𝑢𝑡 + 𝜎𝐷𝑒𝑡𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 , где 𝜎𝑆𝑡𝑟𝑎𝑔𝑔𝑙𝑖𝑛𝑔 𝑂𝑢𝑡 – распределение энергии исходящих частиц; 𝜎𝐷𝑒𝑡𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 – энергетическое разрешение детектора. Окончательный вклад в энергетический спектр 𝑆(𝐸) каждого элемента в каждом подслое определяется выражением: ∞ 𝑆(𝐸) = ∫ (𝑆0 (𝐸 ′ ) ∙ 𝑓(𝐸 ′ , 𝜎 2 (𝐸 ′ )))𝑑𝐸 ′ . 0

35 Число событий 𝑁𝑖 в каждом канале 𝑖 определяется путем интегрирования 𝑆(𝐸) по ширине канала от минимальной до максимальной энергии каждого канала: 𝐸𝑚𝑎𝑥 (𝑖) 𝑁𝑖 = ∫ (𝑆(𝐸 ′ )) 𝑑𝐸 ′ . 𝐸𝑚𝑖𝑛 (𝑖) Для расчета спектров РОР энергия обратнорассеянной частицы 𝐸1 в SIMNRA определяется выражением: 2 𝐸1 = 𝐸0 ∙ 2 𝑀12 (𝑀1 + 𝑀2 ) ∙ {𝑐𝑜𝑠(𝜃) ± √( 2 𝑀2 ) − 𝑠𝑖𝑛2 (𝜃)} , 𝑀1 (2.1) где 𝐸0 – начальная энергия частицы; 𝑀1 – масса налетающей частицы; 𝑀2 – масса атома образца; 𝜃 – угол рассеяния обратнорассеянных частиц. Если 𝑀1 > 𝑀2 , то уравнение 2.1 имеет два решения, и максимально возможный угол рассеяния 𝜃𝑚𝑎𝑥 будет определяться выражением: 𝜃𝑚𝑎𝑥 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 ( 𝑀2 ). 𝑀1 Для расчета спектров ЯО энергия ядер отдачи 𝐸2 в SIMNRA определяется выражением: 𝐸2 = 𝐸0 ∙ 4 ∙ 𝑀1 ∙ 𝑀2 ∙ 𝑐𝑜𝑠 2 (𝜃). (𝑀1 + 𝑀2 )2 Для спектров МЯР в SIMNRA проводится расчет кинематики ядерных реакций. Для этого используются величины, представленные в таблице 2.1. Таблица 2.1 – Параметры, используемые для расчета кинематики ядерных реакций в SIMNRA Параметр Масса Энергия Ион 𝑀1 𝐸1 Ядро мишени 𝑀2 0 Легкий продукт 𝑀3 𝐸3

36 Продолжение таблицы 2.1 Параметр Масса Энергия Тяжелый продукт 𝑀4 𝐸4 - 𝑄 - 𝐸𝑇 Энергия ядерной реакции Полная энергия Полная энергия определяется по формуле: 𝐸𝑇 = 𝐸1 + 𝑄 = 𝐸3 + 𝐸4 . Также определяются следующие величины: 𝐴13 = 𝑀1 ∙ 𝑀3 𝐸1 ∙ ; (𝑀1 + 𝑀2 ) ∙ (𝑀3 + 𝑀4 ) 𝐸𝑇 𝐴14 = 𝑀1 ∙ 𝑀4 𝐸1 ∙ ; (𝑀1 + 𝑀2 ) ∙ (𝑀3 + 𝑀4 ) 𝐸𝑇 𝐴23 = 𝑀2 ∙ 𝑀3 𝑀1 𝑄 ∙ (1 + ∙ ); (𝑀1 + 𝑀2 ) ∙ (𝑀3 + 𝑀4 ) 𝑀2 𝐸𝑇 𝐴24 = 𝑀2 ∙ 𝑀4 𝑀1 𝑄 ∙ (1 + ∙ ). (𝑀1 + 𝑀2 ) ∙ (𝑀3 + 𝑀4 ) 𝑀2 𝐸𝑇 Энергия легкого продукта ядерной реакции в SIMNRA определяется по формуле: 2 𝐴24 𝐸3 = 𝐸𝑇 ∙ 𝐴13 ∙ [𝑐𝑜𝑠(𝜃) ± √ − 𝑠𝑖𝑛2 (𝜃)] , 𝐴13 (2.2) где 𝜃 – угол эмиссии легкого продукта. Для 𝐴13 < 𝐴24 в уравнении 2.2 используется только знак плюс. Если 𝐴13 > 𝐴24 , то уравнение 2.2 имеет два решения, и максимально возможный угол эмиссии легкого продукта 𝜃𝑚𝑎𝑥 будет равен: 𝜃𝑚𝑎𝑥 𝐴24 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 ( ) 𝐴13 1⁄ 2 . Энергия тяжелого продукта ядерной реакции в SIMNRA определяется по формуле:

37 2 𝐴23 𝐸4 = 𝐸𝑇 ∙ 𝐴14 ∙ [𝑐𝑜𝑠(𝛷) ± √ − 𝑠𝑖𝑛2 (𝛷)] , 𝐴14 (2.3) где 𝛷 – угол эмиссии тяжелого продукта. Для 𝐴14 < 𝐴23 в уравнении 2.3 используется только знак плюс. Если 𝐴14 > 𝐴23 , то уравнение 2.3 имеет два решения, и максимально возможный угол эмиссии тяжелого продукта 𝛷𝑚𝑎𝑥 будет равен: 𝛷𝑚𝑎𝑥 𝐴23 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 ( ) 𝐴14 1⁄ 2 . SIMNRA использует уравнения 2.2 и 2.3 только со знаком плюс. Второе решение в расчете не используется. Основная характеристика процесса обратного рассеяния ускоренных частиц в SIMNRA – сечение рассеяния (площадь взаимодействия ускоренного иона и атома исследуемого образца). Для спектров РОР резерфордовское сечение рассеяния в SIMNRA определяется по формуле: 2 𝜎𝑅𝑅𝐵𝑆 2 2 2 𝑍1 ∙ 𝑍2 2 {√𝑀2 − 𝑀1 ∙ 𝑠𝑖𝑛 (𝜃) + 𝑀2 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝜃)} 6 ) ∙ = 5,1837436 ∙ 10 ∙ ( , (2.4) 𝐸 𝑀2 ∙ 𝑠𝑖𝑛4 (𝜃) ∙ √𝑀22 − 𝑀12 ∙ 𝑠𝑖𝑛2 (𝜃) где 𝑍1 – порядковый номер налетающей частицы; 𝑍2 – порядковый номер атома мишени. Для спектров ЯО резерфордовское сечение рассеяния ядер отдачи в SIMNRA определяется по формуле: 𝜎𝑅𝐸𝑅𝐷𝐴 [𝑍1 ∙ 𝑍2 ∙ (𝑀1 + 𝑀2 )]2 = 2,0731 ∙ 10 ∙ . (2 ∙ 𝑀2 ∙ 𝐸)2 ∙ 𝑐𝑜𝑠 3 (𝜃) 7 (2.5) Сечение рассеяния, рассчитанное по формулам (2.4) и (2.5), измеряется в миллибарнах/стерадиан (мб/ст). При высоких энергиях сечение рассеяния отклоняется от резерфордовского из-за влияния ядерной силы. Формулы, по которым в SIMNRA рассчитывается отклонение энергии 𝐸𝑁𝑅 от резерфордовской, были даны Бозояном [42, 43, 44]:

38 𝑀1 + 𝑀2 𝑍2 ∙ ; 𝑀2 10 (2.6) 𝑀1 + 𝑀2 𝑍1 ∙ 𝑍2 ∙ . 𝑀2 8 (2.7) 𝐸𝑁𝑅 = 𝐸𝑁𝑅 = Формула (2.6) применяется при 𝑍1 = 1, формула (2.7) – при 𝑍1 > 1. Для учета нерезерфордовских сечений SIMNRA использует данные из базы экспериментальных сечений рассеяния. Количество обратнорассеянных частиц Q из тонкого слоя в SIMNRA рассчитывается с помощью сечения по средней энергии в слое: 𝑁𝛥𝛺 1 𝐸0 𝑄= ∙ ∙ ∫ (𝜎(𝐸))𝑑𝐸 , 𝑐𝑜𝑠(𝛼) 𝑆 𝐸1 где 𝑁𝛥𝛺 – количество падающих частиц, умноженное на телесный угол детектора; 𝛼 – угол входа частиц в мишень; 𝑆 – постоянная торможения. Постоянная торможения – это отношение потерь энергии на единицу длины, она определяется по формуле: 𝑆= 𝑑𝐸 . 𝑑𝑥 В SIMNRA наиболее достоверным считается такой модельный спектр, кинематические границы которого наиболее точно описывают границы экспериментального спектра. SIMNRA позволяет анализировать приповерхностные слои образцов, экспериментальные спектры которых получены путем взаимодействия падающих ионов с энергией от 100 кэВ до многих МэВ с атомами поверхности [39]. SIMNRA может рассчитать любую комбинацию ион-мишень и любую геометрию рассеяния. Возможно поместить фильтр перед детектором, например, алюминиевую пластинку, что необходимо при моделировании спектров ядер отдачи. На рисунке 2.5 показано главное окно SIMNRA [39].

39 Рисунок 2.5 – Главное окно SIMNRA Как показано на рисунке 2.5, в главном окне SIMNRA отображаются экспериментальный (красный) и модельный (синий) спектры обратного рассеяния [39]. В программе SIMNRA для задания параметров эксперимента используется окно Setup: Experiment (рисунок 2.6), которое вызывается командой Setup→Experiment [39]. Рисунок 2.6 – Окно Setup: Experiment

40 В программе SIMNRA при моделировании эксперимента используется ряд параметров, которые условно можно поделить на группы. Параметры эксперимента и детектора измеряются в ходе эксперимента, в то время как калибровочные параметры подбираются путем калибровки спектра. Параметрами эксперимента являются начальная энергия ускоренных ионов, угол входа ионов в мишень, угол выхода ионов из мишени и угол рассеяния. На рисунке 2.7 изображена геометрия рассеяния, которая используется при расчете модельного спектра [39]. α – угол входа ионов в мишень; β – угол выхода ионов из мишени; θ – угол рассеяния Рисунок 2.7 – Геометрия рассеяния Калибровочными параметрами являются смещение, ширина канала и число частиц, падающих в пределах телесного угла детектора. Для описания спектров РОР, ЯО и ЯР необходимо использовать все калибровочные параметры. При описании спектров ХРИ проводится только энергетическая калибровка, то есть необходимо изменять смещение и ширину канала [39]. Параметром детектора является его разрешение [39]. Параметры мишени задаются в окне target, которое вызывается командой Target→ Target (рисунок 2.8) [39].

41 Рисунок 2.8 – Окно target В окне target возможно задавать количество слоев мишени, элементы отдельных слоев и их концентрацию, а также толщину каждого слоя. Также вызовом команды Edit→Copy Depth Profile в буфер обмена ПК копируется информация о профиле концентрации образца, после чего эту информацию можно изобразить графически в любом другом программном пакете, например, в Microsoft Excel или Origin [39]. Для обработки спектров ЯО в программе имеется возможность задания параметров фильтра. Параметры фильтра задаются в окне foil, которое вызывается командой Target→Foil (рисунок 2.9) [39].

42 Рисунок 2.9 – Окно foil Окно foil позволяет задавать аналогичные параметры, как и окно target, то есть количество и толщину слоев фильтра, элементы отдельных слоев и их концентрацию [39]. Если необходимо, возможно скопировать в буфер обмена информацию о профиле концентрации фильтра вызовом команды Edit→Copy Depth Profile, после чего эту информацию можно изобразить графически в любом другом программном пакете [39]. 2.3 Выводы по второй главе 1. Электростатический генератор ЭГ-5 предназначен для ускорения ионов гелия, водорода или дейтерия до энергий от 0,9 до 3,1 МэВ. Рассмотрен принцип действия ЭГ-5. Исходя из параметров установки, ЭГ-5 может быть использован для исследования поверхности твердого тела с помощью МЯА.

43 2. SIMNRA – это программное обеспечение для моделирования спектров обратно рассеянных ионов от поверхности образцов, а также вторичных процессов, протекающих при данном явлении. Исходя из параметров, рассчитываемых программой SIMNRA, а также учета некоторых вторичных параметров, позволяющих улучшить качество описания кинематических границ экспериментального спектра, SIMNRA можно использовать для точного моделирования спектров МЯА.

44 3 КОМПЛЕКСНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ЯДЕРНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК СО СЛОЖНЫМ ЭЛЕМЕНТНЫМ СОСТАВОМ В данной главе представлены экспериментальные результаты по комплексному применению МЯА для исследования тонких пленок со сложным элементным составом. С помощью метода РОР была исследована толщина и элементный состав пленок. С использованием метода ЯО было определено процентное содержание и глубинные профили концентрации водорода и дейтерия в приповерхностных слоях кремниевых подложек. МЯР был применен для оценки процентного содержания и резонансной энергии кислорода, а также для определения глубины залегания поверхностной концентрации кислорода в образце. 3.1 Исследование толщины и элементного состава пленок с помощью резерфордовского обратного рассеяния Метод резерфордовского обратного рассеяния (РОР) позволяет решать различные задачи. Одной из задач, решаемых данным методом, является измерение толщины пленок [45]. С целью разработки алгоритма определения толщины пленок был получен энергетический спектр РОР образца, содержащего слой диоксида кремния на кремниевой подложке. В результате обработки экспериментального спектра было обнаружено, что пленка диоксида кремния содержит несколько тяжелых элементов с низкой концентрацией атомов. На рисунке 3.1 представлены экспериментальный и модельный энергетические спектры РОР образца с пленкой диоксида кремния.

45 Рисунок 3.1 –Экспериментальный и модельный энергетические спектры РОР пленки диоксида кремния с примесями тяжелых элементов низкой концентрации В таблице 3.1 представлены экспериментальные параметры, по которым проводилось построение модельного спектра. Таблица 3.1 – Экспериментальные параметры Параметры Калибровочные параметры эксперимента Е0, кэВ 2295 𝛼, 𝛽, 𝜃, град град град 30 20 170 Параметры детектора 𝛥𝐸, bк, 𝑁 ∙ 𝛺, 𝛿𝐸д , кэВ кэВ/канал ат∙ср кэВ -13 2,34 6,95 ∙ 1011 20 Примечание: Е0 – начальная энергия ускоренных ионов, 𝛼 – угол входа ионов в мишень, 𝛽 – угол выхода ионов из мишени, 𝜃 – угол рассеяния, 𝛥𝐸 – калибровочное смещение, bк – ширина канала, 𝑁 ∙ 𝛺 – число частиц, падающих в пределах телесного угла детектора, 𝛿𝐸д – разрешение детектора.

46 Из спектра следует, что в слое диоксида кремния ионы He рассеивались на атомах кремния и кислорода, причем пик кислорода в пленке диоксида кремния накладывается на спектр кремния в подложке. Также из спектра видно четкое разделение кремния, содержащегося в пленке, и кремния, содержащегося в подложке. Также из спектра следует, что пленка диоксида кремния содержит два тяжелых элемента низкой концентрации (барий и тантал). Как видно из спектра на рисунке 3.1, кинематическая граница кислорода находится в 350 канале, кремния – в 550 канале, тантала – в 900 канале, что соответствует атомным весам этих элементов. Из экспериментального спектра можно получить точную информацию о составе и толщине слоев, если создать реальную модель, которая будет точно описывать экспериментальный спектр. Построение модели экспериментального спектра проводилось с помощью программы SIMNRA. Модель состоит из 7 слоев, содержащих концентрации всех элементов образца. Данная модель обеспечила наилучшее описание экспериментального спектра. В таблице А.1 приложения А представлены толщины слоев модели, с помощью которой было достигнуто наилучшее описание экспериментального спектра. Из описания слоев модели образца видно, что метод резерфордовского обратного рассеяния позволяет достаточно точно определять концентрацию элементов в образце, а также исследовать элементы таблицы периодической системы от углерода до тантала. SIMNRA в процессе расчета модельного спектра определяет кинематический фактор по формуле (1.5). Энергия регистрации каждого элемента, составляющего исследуемый образец в SIMNRA определяется по формуле (1.4). В таблице 3.2 представлены результаты расчета кинематического фактора и энергии регистрации по формулам (1.5) и (1.4) для образца пленки диоксида кремния с примесями тяжелых элементов низкой концентрации.

47 Таблица 3.2 – Кинематический фактор и энергия регистрации Кинематический Энергия регистрации фактор k Ер, кэВ C 0,35 803 O 0,446 1023 Si 0,622 1427 Ba 0,904 2075 Ta 0,926 2126 Элемент В таблице А.1 приложения А представлены толщины 7 слоев, измеренные с высокой точностью в ат/см2. Толщины слоев можно перевести в метрические единицы измерения, если известна плотность каждого слоя, состоящего из различных элементов. Методика перевода толщины из ат/см2 в метрическую систему мер состоит из трех этапов: 1) определение объема одной грамм-молекулы материала, из которого состоит исследуемый образец, по формуле: 𝑉= 𝑀 , 𝜌 (3.1) где 𝑀 – масса одной грамм-молекулы материала, из которого состоит исследуемый образец, г/моль 𝜌 – плотность материала, из которого состоит исследуемый образец, г/см3. 2) определение атомной плотности материала образца по формуле: 𝑁= 𝑁𝐴 , 𝑉 (3.2) где 𝑁𝐴 – число Авогадро, равное 6,02 ∙ 1023 ат/гмоль; 𝑉 – объем одной грамм-молекулы материала исследуемого образца, см3 . 3) определение толщины слоя материала в метрической системе мер по формуле:

48 𝑑 (ат⁄ 2 ) см , 𝑑= 𝑁 (3.3) где 𝑑 (ат⁄ 2 ) – толщина слоя в ат/см2; см 𝑁 – атомная плотность материала слоя, ат/см3. Согласно представленной методике, определим толщину слоя оксида кремния. Если мы пренебрегаем влиянием микропримесей тяжелых элементов, находящихся в пленке оксида кремния, то плотность можно принять равной 2,65 г/см3. По формуле (3.1) определим объем одной грамм-молекулы диоксида кремния: 𝑉= 28+16∙2 2,65 = 22,642 см3 . По формуле (3.2) определим атомную плотность диоксида кремния: 𝑁= 6,02∙1023 22,642 = 2,659 ∙ 1022 ат⁄ 3 . см Атомную плотность тонких слоев можно считать равной атомной плотности массивного образца в некотором приближении. По формуле (3.3) определим толщину слоя диоксида кремния в метрической системе мер: 𝑑= (270+270+1070+720+575+475+370)∙1015 2,659∙1022 = 1,41 ∙ 10−4 см = 1,41 мкм. Таким образом, толщина слоя диоксида кремния, измеренная в ат/см2 была переведена в микрометры без учета влияния микропримесей тяжелых элементов. 3.2 Исследование глубинного профиля распределения водорода и дейтерия в пленках с помощью ядер отдачи Присутствие водорода и дейтерия оказывает существенное влияние на свойства материалов полупроводниковой электроники. Развитие радиационного материаловедения и полупроводниковой технологии привело

49 к необходимости разработки методов контроля как содержания, так и глубинного распределения водорода в различных твердотельных структурах. Неразрушающие методы быстрого анализа, основанные на использовании моноэнергетических пучков ускоренных ионов с энергией в несколько МэВ, позволяют решать широкий круг задач [46, 47]. Однако для определения водорода нельзя использовать многоэлементный метод РОР. С этой целью был разработан так называемый метод ядер отдачи (ЯО) [48, 49]. Метод ЯО – единственный метод, который позволяет количественно определять содержание водорода и его изотопов в приповерхностных слоях образца. Дейтерий — стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2 [50]. Его присутствие оказывает существенное влияние на свойства полупроводниковых материалов так же, как и присутствие водорода [51]. Поэтому актуальной является задача по определению процентного содержания дейтерия в твердом теле. С целью отработки методики определения глубинного профиля распределения водорода и дейтерия были одновременно сняты спектры РОР и ЯО пленки диоксида кремния с некоторым количеством легких примесей. После снятия экспериментальных спектров было обнаружено, что пленка содержит некоторое количество водорода, дейтерия и других легких примесей, концентрацию которых необходимо определить. На рисунке 3.10 представлены экспериментальные и модельные энергетические спектры РОР и ЯО данного образца.

50 а б Рисунок 3.2 – Экспериментальные и модельные энергетические спектры пленки диоксида кремния, содержащего легкие элементы: а – экспериментальный и модельный спектры РОР; б – экспериментальный и модельный спектры ЯО Спектр ЯО, представленный на рисунке 3.2 б, показывает глубинный профиль распределения водорода и дейтерия в образце. В таблице 3.3 представлены экспериментальные параметры, по которым проводилось построение модельных спектров РОР и ЯО. Таблица 3.3 – Экспериментальные параметры Параметры эксперимента Тип спектра Калибровочные параметры Е0, кэВ 𝛼, 𝛽, 𝜃, 𝛥𝐸, bк, град град град кэВ кэВ/канал Параметры детектора 𝑁 ∙ 𝛺, 𝛿𝐸д , ат∙ср кэВ РОР 2297 75 30 135 10 2,35 1 ∙ 1011 20 ЯО 2297 75 75 30 -70 1,29 1,3 ∙ 1011 20 Все калибровочные параметры спектра ЯО определяются в ходе калибровки спектра, за исключением числа частиц, падающих в пределах телесного угла детектора ЯО. Методика определения числа частиц на телесный угол для спектра ЯО состоит из следующих этапов: 1) определение телесного угла детектора РОР по формуле:

51 𝛺РОР = 𝑆 , 𝑑2 (3.4) где 𝑆 – площадь отверстия детектора, мм2 ; 𝑑 – расстояние от детектора до исследуемого образца, мм. Рабочая поверхность детектора РОР имеет круглую форму, соответственно площадь отверстия детектора РОР будет рассчитываться по формуле площади круга. Расстояние от детектора РОР до исследуемого образца равно 100 мм. 2) определение телесного угла детектора ЯО по формуле: 𝑆 . (3.5) 𝑑2 Рабочая поверхность детектора ЯО имеет прямоугольную форму, 𝛺ЯО = соответственно площадь отверстия детектора ЯО будет рассчитываться по формуле площади прямоугольника. Расстояние от детектора ЯО до исследуемого образца равно 60 мм. 3) определение общего числа частиц по формуле: 𝑁= 𝑁 ∙ 𝛺РОР , 𝛺РОР (3.6) где 𝑁 ∙ 𝛺РОР – число частиц, падающих в пределах телесного угла детектора РОР, ат ∙ ср. 4) определение числа частиц, падающих в пределах телесного угла детектора ЯО по формуле: 𝑁 ∙ 𝛺 = 𝛺ЯО ∙ 𝑁. (3.7) На рисунке 3.6 представлены геометрические размеры детекторов РОР и ЯО.

52 а б Рисунок 3.3 – Геометрические размеры детекторов: а – детектор РОР; б – детектор ЯО По формуле (3.4) определим телесный угол детектора РОР: 𝛺РОР = 3,14∙3,82 4∙1002 = 1,134 ∙ 10−3 ср. По формуле (3.5) определим телесный угол детектора ЯО: 𝛺ЯО = 1,15∙4,5 602 = 1,438 ∙ 10−3 ср. По формуле (3.6) определим общее число частиц: 𝑁= 1∙1011 1,134∙10−3 = 8,818 ∙ 1013 ат. По формуле (3.7) определим число частиц, падающих в пределах телесного угла детектора ЯО: 𝑁 ∙ 𝛺 = 8,818 ∙ 1013 ∙ 1,438 ∙ 10−3 = 1,3 ∙ 1011 ат ∙ ср. Окончательная модель образца, представленная в таблице Б.1 приложения Б, была получена путем совместной обработки обоих спектров. На основании полученной модели был построен глубинный профиль концентрации всех элементов в образце (рисунок 3.4).

53 Рисунок 3.4 - Профиль концентрации всех элементов, составляющих образец На рисунке 3.4 представлен глубинный профиль концентрации водорода и дейтерия в образце. Рисунок 3.4 – Глубинный профиль концентрации водорода и дейтерия в образце В данном образце концентрация дейтерия преобладает над концентрацией водорода. Из профиля концентрации водорода видно, что его

54 концентрация на поверхности составляет 24 %, по мере углубления в образец уменьшается до 15 %, после чего уменьшается до нуля. Из профиля концентрации дейтерия следует, что его концентрация на поверхности составляет 54 %, по мере углубления в образец уменьшается до 20 %, после чего уменьшается до нуля. С использованием формулы (2.5) был построен график зависимости резерфордовского сечения рассеяния при взаимодействии ионов гелия с атомами дейтерия образца кремниевой подложки от энергии ионов гелия (рисунок 3.5). Рисунок 3.5 – График зависимости резерфордовского сечения рассеяния при взаимодействии ионов гелия с атомами дейтерия образца кремниевой подложки от энергии ионов гелия Из рисунка 3.5 следует, что на поверхности подложки присутствует высокая концентрация водорода, что видно по высокому значению сечения рассеяния порядка 106 мб/ст. По мере углубления в структуру подложки концентрация водорода уменьшается, о чем свидетельствует сечение рассеяния порядка 103 мб/ст. Таким образом, совместное использование методик РОР и ЯО позволило определить глубинные профили концентрации всех элементов в образцах.

55 3.3 Определение процентного содержания кислорода в пленках методом ядерных реакций В рамках проведенных исследований метод ядерных реакций (МЯР) был применен для определения концентрации и глубины, на которой находится максимальная поверхностная концентрация кислорода в пленке диоксида кремния с примесями углерода и азота на кремниевой подложке. Так как в МЯР применяется такое же оборудование, как и в методике РОР [52], облучение исследуемых образцов проводилось на электростатическом генераторе ЭГ-5 с использованием системы поворотных магнитов. Частота магнитного поля в области поворотного магнита напрямую связана с энергией ионов в пучке по формуле: 𝐸0 = 𝑘 ∙ 𝑓 2 , (3.8) где 𝑘 – поправочный коэффициент; 𝑓 – частота магнитного поля, Гц. Для образца пленки диоксида кремния с примесями углерода и азота на кремниевой подложке, были получены 9 спектров при разных частотах магнитного поля и, соответственно, при разных энергиях ионов He в пучке. Параметры эксперимента представлены в таблице 3.4. Таблица 3.4 – Параметры эксперимента № спектра f, Гц 1 27000 2 27200 3 27225 4 27250 5 27275 6 27300 7 27325 𝛼, град 𝛽, град 𝜃, град 30 20 165

56 Продолжение таблицы 3.4 № спектра f, Гц 𝛼, град 𝛽, град 𝜃, град 8 27350 30 20 165 Таким образом, основной задачей на начальном этапе обработки экспериментальных спектров является определение энергии, соответствующей какой-либо частоте из таблицы 3.7 путем построения модельного спектра и его калибровки. На рисунке 3.6 представлены экспериментальные спектры, снятые при минимальной и максимальной частотах, указанных в таблице 3.4. а б Рисунок 3.6 – Экспериментальные энергетические спектры, снятые при минимальной (27000 Гц) и максимальной (27375 Гц) частотах: а – экспериментальный спектр, снятый при частоте 27000 Гц; б – экспериментальный спектр, снятый при частоте 27375 Гц Из рисунка 3.6 видно, что при максимальной частоте (энергии) наблюдается больший γ-квантов, чем при минимальной частоте. Калибровка модельного спектра была проведена по спектру с максимальной частотой. При построении модельного спектра сначала была подобрана начальная энергия ионов He по высоте кислородного пика, которая составила 3068 кэВ, после чего были отрегулированы калибровочные параметры, значения которых представлены в таблице 3.5.

57 Таблица 3.5 – Калибровочные параметры спектров ядерных реакций 𝛥𝐸, bк, 𝑁 ∙ 𝛺, кэВ кэВ/канал ат ∙ ср 15 2,72 3,9 ∙ 1011 На рисунке 3.7 представлен результат обработки экспериментального спектра с максимальной энергией ионов He. Рисунок 3.7 – Результат обработки экспериментального спектра с максимальной энергией ионов He При построении модельного спектра была использована модель, состоящая из 3 слоев, состав и толщина которых представлены в таблице В.1 приложения В. Теперь возможно рассчитать энергию для остальных спектров, используя формулу (3.8). Но сначала необходимо из формулы (3.8) выразить величину поправочного коэффициента: 𝑘= 𝐸0 . 𝑓2 (3.9)

58 Теперь по формуле (3.9) определим величину поправочного коэффициента, зная начальную энергию и частоту для спектра с максимальной энергией: 3068000 𝑘 = (27375)2 = 0,004. Далее по формуле (3.8) рассчитаем значения энергии для остальных спектров. Результаты расчета представлены в таблице 3.9. Таблица 3.6 – Результаты расчета начальной энергии для всех спектров № спектра f, Гц 1 27000 2984 2 27200 3028 3 27225 3034 4 27250 3040 5 27275 6 27300 3051 7 27325 3056 8 27350 3062 9 27375 3068 k 0,004 𝐸0 , кэВ 3045 Согласно рассчитанным значениям энергий и подобранной калибровке были построены модельные спектры для остальных экспериментальных спектров. Модельные и экспериментальные спектры для всех энергий представлены в приложении Г. Анализ построенных спектров показал достаточно высокую чувствительность метода, поскольку величина кислородного пика сильно зависела от начальной энергии ионов He, то есть при величине начальной энергии 2984 кэВ кислородного пика на спектре не наблюдается, а при энергии 3068 кэВ кислородный пик явно выражен, что продемонстрировано на рисунке 3.8.

59 а б Рисунок 3.8 – Экспериментальные и модельные энергетические спектры при минимальной (2984 кэВ) и максимальной (3068 кэВ) энергиях ионов He: а – экспериментальный и модельный спектры при энергии 2984 кэВ; б – экспериментальный и модельный спектры при энергии 3068 кэВ После построения модельных спектров для всех энергий было выяснено, что при энергии 3045 кэВ наблюдается наибольшая высота кислородного пика среди всех снятых спектров, что означает, что энергия 3045 кэВ является резонансной для кислорода, то есть выход γ-квантов при данной энергии идет наиболее интенсивно. В данном случае это дает большие поправки в диапазоне энергий от 2984 до 3068 кэВ. На рисунке 3.9 представлены экспериментальные и модельные спектры при энергиях 3045 кэВ и 3068 кэВ.

60 а б Рисунок 3.9 – Экспериментальные и модельные энергетические спектры при резонансной (3045 кэВ) и нерезонансной (3068 кэВ) энергиях ионов He: а – экспериментальный и модельный спектры при энергии 3045 кэВ; б – экспериментальный и модельный спектры при энергии 3068 кэВ Определим резерфордовские сечения рассеяния при взаимодействии ионов гелия и атомов кислорода в образце кремниевой подложки для энергий, представленных в таблице 3.9, с помощью формулы (2.4). Результаты расчета представлены в таблице 3.7. Таблица 3.7 – Резерфордовские сечения рассеяния при взаимодействии ионов гелия и атомов кислорода 𝐸0 , кэВ 𝜎, мб/ст 2984 126,33 3028 122,68 3034 122,20 3040 121,72 3045 121,32 3051 120,84 3056 120,45 3062 119,97 3068 119,51

61 Из результатов расчета видно, что резерфордовские сечения рассеяния не учитывают выход γ-квантов, поскольку сечение при энергии 3045 кэВ не составляет наибольшее значение. Это объясняется тем, что сечение рассеяния 16 О в 16 раз больше резерфордовского, и, когда расстояние наибольшего сближения налетающей частицы и ядра становится сравнимым с радиусом ядра, возможно отклонение резерфордовского сечения рассеяния вследствие ядерного взаимодействия [53, 54]. В поверхностном слое модели образца концентрация кислорода была максимальной и составила 15 %. Также была определена толщина пленки, на которой концентрация кислорода будет максимальной. Для этого модель образца, представленная в таблице Г.1 приложения Г, была изменена таким образом, чтобы высота расчетного кислородного пика составляла половину высоты экспериментального пика спектра при начальной энергии ионов He 3045 кэВ. В таблице Г.2 приложения Г представлены измененные слои модели. На рисунке 3.10 представлен модельный спектр для определения глубины, на которой будет находится максимальная концентрация кислорода. Рисунок 3.10 – Модельный спектр для определения глубины, на которой будет находится максимальная концентрация кислорода

62 При этом толщина первого слоя модели составила 230·1015 ат/см2. Оценим глубину, на которой будет находится максимальная поверхностная концентрация кислорода, в метрической системе мер. Для этого была использована методика перевода толщины из ат/см2 метрическую систему мер: 1) определение объема одной грамм-молекулы материала, из которого состоит исследуемый образец по формуле (3.1): 𝑉= 28+16∙2 2,65 2) = 22,642 см3 ; определение атомной плотности материала образца по формуле (3.2): 𝑁= 6,02∙1023 22,642 3) = 2,659 ∙ 1022 ат⁄ 3 ; см определение толщины слоя материала в метрической системе мер по формуле (3.3): 𝑑= 230∙1015 2,659∙1022 = 8,65 ∙ 10−6 см = 86,5 нм. Таким образом в результате расчета было выяснено, что глубина, на которой будет находится максимальная концентрация кислорода, в данном образце составляет 86,5 нм. В результате эксперимента было выяснено, что МЯР имеет достаточно высокую чувствительность [55], что позволило определить резонансную энергию для кислорода, которая составила 3045 кэВ. Также была определена достаточно малая поверхностная концентрация кислорода, которая составила 15 %, и оценена глубина, на которой будет находится максимальная концентрация кислорода в данном образце, которая составила 230 ∙ 1015 ат/см2 или 86,5 нм.

63 3.4 Влияние ускоренных ионов и продуктов ядерных реакций на человека Опасность радиационного воздействия ионизирующих излучений и продуктов ядерных реакций в высоких дозах обусловлена увеличением рисков возникновения онкологических и наследственных заболеваний [56]. При отсутствии должной защиты работника от ускоренных ионов и продуктов ядерных реакций он может подвергаться воздействию ионизирующего излучения в больших дозах с большой интенсивностью, где наибольшую радиационную опасность представляют тяжелые заряженные частицы [57]. Поэтому оценка биологического действия высоких доз тяжелых заряженных частиц и продуктов ядерных реакций с различными физическими характеристиками является важной для расчета рисков развития отдаленных генетических и канцерогенных последствий и нормирования предельно допустимых уровней воздействия ионизирующего излучения на организм исследователя. Исследования излучений различного качества в высоких дозах актуальны и для оценки рисков последствий облучения людей, подвергшихся радиационному воздействию в результате аварий, и профессионалов, работающих с источниками ионизирующего излучения в условиях повышенного радиационного фона. Степень опасности рентгеновского облучения для людей зависит от контингента лиц, подвергающихся облучению. В первую очередь это относится к профессионалам, работающим с рентгеновской аппаратурой. Эта категория охватывает также научно‑технических работников и персонал, обслуживающий и использующий рентгеновскую аппаратуру. Существуют методы контроля, включающие три аспекта: 1) наличие адекватного оборудования; 2) контроль за соблюдением правил техники безопасности; 3) правильное использование оборудования [58].

64 3.5 Экономическая сторона использования методов ядерного анализа для исследования тонких пленок со сложным элементным составом Для реализации методов ядерного анализа требуется достаточно большое количество экспериментального оборудования, такого как источник высокого напряжения, электростатический генератор, баллоны с газом, который будет использоваться в качестве ускоряемых ионов, а также понадобятся ионопроводы, экспериментальная экспериментов вакуумная необходимо система камера. поворотных Для использовать обработки специальное магнитов и результатов программное обеспечение, в качестве которого в данной работе используется программа SIMNRA. Ещё необходим штат обученных сотрудников для работы с экспериментальным оборудованием и программным обеспечением. Все перечисленное является достаточно дорогостоящим, поэтому логичным выходом из данной ситуации является коммерциализация результатов исследований. С целью получения коммерческого эффекта возможно создание самостоятельного предприятия, совместного предприятия, либо вхождение в действующее предприятие с интеллектуальной собственностью [59]. К примеру действующим предприятием с интеллектуальной собственностью в России является Объединённый Институт Ядерных Исследований (ОИЯИ) в городе Дубна [60]. 3.6 Выводы по третьей главе 1. Методами ядерного анализа проведены исследования пленок диоксида кремния с примесями легких и тяжелых элементов. 2. Показано, что с помощью методик РОР и ЯР возможно можно определять с высокой точностью толщины слоев исследуемого образца.

65 3. Разработана методика перевода из ат/см2 в метрическую систему 4. Показано, что совместное использование методик РОР и ЯО мер. позволило определить все элементы периодической системы, начиная с водорода и заканчивая тяжелыми элементами с атомными концентрациями менее 1%. 5. С помощью методики ЯО были определены глубинные профили концентрации и процентное содержание водорода и дейтерия в тяжелой матрице. 6. С помощью МЯР было определено процентное содержание и резонансная энергия кислорода в пленке диоксида кремния с примесями азота и углерода, а также оценена глубина залегания образца максимальная концентрация кислорода, что позволяет использовать МЯР для уточнения результатов, полученных методом РОР.

66 ВЫВОДЫ В рамках исследований по теме диссертационной работы с помощью методов ядерного анализа были исследованы тонкие пленки со сложным элементным составом. Были сделаны следующие выводы: 1) сложного разработанная методика комплексного исследования пленок состава на основе методов ядерного анализа позволяет анализировать стехиометрию и толщину данных пленок; 2) предложенная методика перевода толщины слоев образца из ат/см2 в метрическую систему мер позволяет с высокой точностью оценивать толщину слоев образца при наличии значений плотности каждого слоя исследуемого образца. Сформулированные выводы достаточно точно отражают полноту решений поставленной задачи. Результаты исследований могут быть применены на предприятиях микроэлектронной промышленности для разработки технологий изготовления полупроводниковых приборов. Научно-технический уровень выполненной работы сравним с лучшими достижениями в области ядерных исследований, поскольку для анализа образцов использовалось современное оборудование с возможностью ускорения ионов до высоких энергий. Для анализа экспериментальных энергетических спектров использовалось современное программное обеспечение SIMNRA, обладающее необходимой точностью моделирования, что позволяет достоверно интерпретировать экспериментальные данные. Результаты исследований были опубликованы в соавторстве с консультантом в количестве 4 статей в материалах XIV Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» и Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР – 2019».

67 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1 Горшков, О. Н. Применение методов РОР и ХРИ для анализа элементного состава и структурного совершенства твердых тел / О. Н. Горшков, А. Н. Михайлов, В. К. Васильев. – Нижний Новгород: ННГУ им. Лобачевского, 2007. – 59 с. 2 доступа: Прикладная оптоэлектроника [Электронный ресурс]. – Режим http://www.technosphera.ru/lib/book/139?read=1 (дата обращения 01.06.2019). 3 Лебедев, приповерхностных В. областей М. Исследование материалов и модифицированных тонких пленок ядерно- физическими методами: автореф. дис. … д. физ.-мат. наук: 01.04.01 / Лебедев Виктор Михайлович – Санкт-Петербург, 2010. – 34 с. 4 Физические методы исследования поверхности [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://surface.spbu.ru/ru/metody/metody-issledovaniya (дата обращения 01.06.2019) 5 Ануфриев, Л. П. Технология изделий интегральной электроники / Л. П. Ануфриев, С. В. Бордусов, Л. И. Гурский, А. П. Достанко, А. Ф. Керенцев, Н. С. Ковальчук, А. О. Коробко, В. Л. Ланин, А. А. Осипов, Л. Я. Портнов, И. И. Рубцевич, Я. А. Соловьев, В. А. Солодуха, В. В. Становский. – Минск: БГУИР, 2009. – 379 с. 6 Режим Физические методы исследования [Электронный ресурс]. – доступа: http://site-285580.mozfiles.com/files/285580/15-L1_Sp-1.pdf (дата обращения 01.06.2019). 7 Ядерно-физические методы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://helpiks.org/3-96751.html (дата обращения 01.06.2019). 8 Лекции по физическим методам исследования [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://swsu.ru/structura/up/fiu/tief/fizik/lek_fiz_met_him.pdf (дата обращения 01.06.2019).

68 9 Азаренков, Н.А. Ядерно-физические методы в материаловедении / Н.А. Азаренков, В.Г. Кириченко, В.В. Левенец, И.М. Неклюдов. – М.: ХФТИ им. Каразина, 2013. – 54 с. 10 Глава 3. Ядерно-физические методы анализа [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/v/VNZ/mat/Tab1/Chapter3.doc (дата обращения 01.06.2019) 11 Малышевский, В. С. Ядерная физика твердого тела: Семестровый курс лекций / В. С. Малышевский. – Ростов-на-Дону, 2008. – 187 с. 12 Полупроводниковые детекторы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://profbeckman.narod.ru/radiometr.files/L2_2.pdf (дата обращения 01.06.2019). 13 Кутуан, А. Т. Современные аппаратные средства для систем атмосферного мониторинга / А. Т. Кутуан // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». – 2009. - № 9. – С. 27-32. 14 Полупроводниковые [Электронный диоды ресурс]. – Технологии – производства Режим доступа: http://veeremaa.tpt.edu.ee/av04/diody.pdf (дата обращения 01.06.2019). 15 Полупроводниковые | Диффузионные детекторы [Электронный ресурс]. – Редим доступа: https://bsu.by/Cache/pdf/366053.pdf (дата обращения 01.06.2019). 16 Поверхностно-барьерные детекторы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://rad-stop.ru/25-tverdotelnyie-poluprovodnikovyie- detektoryi/ (дата обращения 01.06.2019). 17 Кремниевые поверхностно-барьерные детекторы [Электронный ресурс]. – Режим http://x4u.lebedev.ru/che2017/f/talks/08.Chernyshev.pdf доступа: (дата обращения 01.06.2019). 18 Поверхностно-барьерные детекторы ДКПс-25, ДКПс-35, ДКПс- 50, ДКПс-100, ДКПс-200, ДКПс-350, ДКПс-500 [Электронный ресурс]. –

69 Режим доступа: https://zapadpribor.com/products/detektory- kremnievye/datasheet/tekhnicheskie-kharakteristiki-detektorov-kremnievykh.pdf (дата обращения 01.06.2019). 19 Режим Диффузионно-дрейфовые детекторы [Электронный ресурс]. – доступа: (дата https://studopedia.org/9-19486.html обращения 01.06.2019). 20 Спектрометрические детекторы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: (дата https://studfiles.net/preview/6179550/page:5/ обращения 01.06.2019). 21 Полупроводниковые ресурс]. [Электронный детекторы ядерных – излучений Режим доступа: http://nuclab.spbu.ru/old/common/72.pdf (дата обращения 01.06.2019). 22 HPGE-детектор [Электронный ресурс]. – Режим доступа: (дата http://nuclphys.sinp.msu.ru/studsem/HPGEdetec.pdf обращения 01.06.2019). 23 Айзенштат, Г. И. Детекторы рентгеновского и 𝛾- излучений на основе эпитаксиальных структур из арсенида галлия / Г. И. Айзенштат, В. П. Гермогенов, С. М. Гущин, О. П. Толбанов, О. Г. Шмаков // Доклады ТУСУР. – Томск: ТУСУР, 2010. - № 2 (22). – С. 81 – 86. 24 Сравнительный анализ XPIN и SDD детекторов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.eurotek-general.ru/support/technicalinformation-about-theproducts/Perfomance_comparison_of_XPIN_and_SDD_detectors/index_(4).php (дата обращения 01.06.2019). 25 Малышевский, В. С. Ядерная физика твердого тела: Семестровый курс лекций / В. С. Малышевский. – Ростов-на-Дону, 2008. – 187 с. 26 рассеяния Физические основы [Электронный метода ресурс]. резерфордовского – Режим обратного доступа: https://studfiles.net/preview/5828550/page:6/ (дата обращения 01.06.2019).

70 27 Рыдня, С. М. Особенности структуры тонких пленок SiC, формируемых методом импульсного лазерного осаждения на подложках Si и Al2O3: дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.07 / Рыдня Сергей Михайлович – Москва, 2014. – 158 с. 28 Зырянов, С. С. Анализ и модификация поверхности твердых тел с использованием пучков заряженных частиц: дис. … канд. техн. наук: 01.04.07 / Зырянов Степан Сергеевич. – Екатеринбург, 2014. – 151 с. 29 Режим Моменты применения метода РОР [Электронный ресурс]. – доступа: https://phys.bspu.by/static/um/phys/kvant/5razd/new5_21.pdf (дата обращения 01.06.2019). 30 Головань, дефектообразования Л. в А. Исследование кристаллах CdTe лазерно-индуцированного методом резерфордовского обратного рассеяния / Л. А. Головань, П. К. Кашкаров, В. М. Лакеенков, Ю. Н. Сосновских, В. Ю. Тимошенко, Н. Г. Чеченин // Физика твердого тела. – Санкт-Петербург: ФТТ, 1998. – Т. 40, № 2. – С. 209 – 211. 31 Определение водорода методом протонов отдачи [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/29/006/29006364.pdf (дата обращения 01.06.2019). 32 Абрамов, А. И. Основы экспериментальных методов ядерной физики / Абрамов А.И. , Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. – М.: Атомиздат, 1977.- 528 с. 33 Кулоновский [Электронный барьер ядра ресурс]. – Физическая – Режим энциклопедия доступа: http://femto.com.ua/articles/part_1/1867.html (дата обращения 01.06.2019). 34 природе Кулоновский барьер: расчет, физическая сущность и роль в [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://fb.ru/article/437974/kulonovskiy-barer-raschet-fizicheskaya-suschnost-i-rolv-prirode (дата обращения 01.06.2019).

71 35 Метод ядерных реакций [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://refwin.ru/1648361066.html (дата обращения 01.06.2019). 36 Ядерные реакции [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://lektsii.net/1-89625.html (дата обращения 01.06.2019). 37 Горшков, О.Н. Исследование радиационного повреждения полупроводников и диэлектриков в процессе ионного внедрения с использованием характеристического рентгеновского излучения: дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.10 / Горшков Олег Николаевич. – Горький, 1980. – 168 с. 38 Генератор Ван де Граафа: Техника и Человек [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://zewerok.ru/generator-van-de-graafa/ (дата обращения 01.06.2019). 39 SIMNRA User’s Guide [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://home.mpcdf.mpg.de/~mam/SIMNRA-Users-Guide.pdf (дата обращения 01.06.2019). 40 Ecktein, W., Mayer, M. (1980). Rutherford backscattering from layered structures beyond the single scattering model. In: Nucl. Instr. Meth., Vol. 42, pp. 337-400. 41 Edge, R. D., Bill, U. (1980). Surface Topology using Rutherford Backscattering. In: Nucl. Instr. Meth., Vol. 40, pp. 131-135. 42 Bozoian, M. (1991). Deviations from Rutherford backscattering for Z = 1, 2 projectiles. In: Nucl. Instr. Meth., Vol. 32, pp. 127-134. 43 Bozoian, M. (1993). A useful formula for departures from Rutherford backscattering. In: Nucl. Instr. Meth., Vol. 30, pp. 602-610. 44 Bozoian, M., Hubbard, K. M. (1990). A useful formula for departures from Rutherford backscattering. In: Nucl. Instr. Meth., Vol. 55, pp. 311-320. 45 Ташлыкова-Бушкевич, И. И. Метод резерфордовского обратного рассеяния при анализе состава твердых тел / И. И. Ташлыкова-Бушкевич. – Минск: БГУИР, 2003. – 52 с.

72 46 ресурс]. Физические методы исследования в химии [Электронный – Режим доступа: https://bsu.by/Cache/pdf/587393.pdf (дата обращения 01.06.2019). 47 Бояркина, О. В. Физические методы исследования твердых тел: учебное пособие / О. В. Бояркина, М. И. Зотов, В. М. Кяшкин, К. Н. Нищев, Н. А. Панькин. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2012. – 96 с. 48 Brandt, W. Ion analysis. [Электронный ресурс]. – Режим доступ: https://sciex.com/ion-analysis (дата обращения 01.06.2019). 49 Sweeney, R. J. (1997). Use of the elastic recoil detection analysis (ERDA) microbeam technique for the quantitative determination of hydrogen in materials and hydrogen partitioning between olivine and melt at high pressures. In: Geonomica et Cosmochimica Acta, Issue 1, Vol. 61, pp. 101 – 113. 50 Дейтерий и тяжелая вода. Наука и жизнь [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.nkj.ru/archive/articles/34235/ (дата обращения 01.06.2019). 51 Беляева, А. И. Влияние бомбардировки ионами дейтерия на морфологию и оптические свойства поверхности рекристализованного вольфрама / Беляева А. И., Галуза А. А., Савченко А. А., Слатин К. А. // Ученые записки Таврического национального университета имени В. И. Вернадского. Серия «Физико-математические науки» – Симферополь: ТНУ, 2010. – Т. 23 (62), № 3. – С. 136 – 148. 52 доступа: Ядерно-физический анализ [Электронный ресурс] . – Режим http://www.mining-enc.ru/ya/yaderno-fizicheskij-analiz (дата обращения 01.06.2019). 53 Ядерные реакции [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/a32.htm (дата обращения 01.06.2019). 54 Парьев, Э. Я. Аналитический расчет инклюзивных нуклон - ядерных реакций методом кинетических уравнений: дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.16 / Парьев Эдуард Яковлевич. – Москва, 1984. – 166 с.

73 Ядерные реакции в анализе вещества [Электронный ресурс]. – 55 Режим доступа: http://profbeckman.narod.ru/YadFiz.files/L22.pdf (дата обращения 01.06.2019). 56 излучений Ядерные реакции, биологическое воздействие радиоактивных [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://lektsia.com/7x47ce.html (дата обращения 01.06.2019). 57 Биологическое действие радиации [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://mirznanii.com/a/149316/biologicheskoe-deystvie-radiatsii (дата обращения 01.06.2019). 58 Методы радиационного контроля [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://lektsii.org/7-52797.html (дата обращения 01.06.2019). 59 Губин, Е. П. Технологии нововведений // Е. П. Губин. – Томск: ТУСУР, 2013. – 214 с. 60 Объединенный институт ядерных исследований: Наука сближает народы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.jinr.ru (дата обращения 01.06.2019).

74 ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) Модели для описания экспериментальных спектров резерфордовского обратного рассеяния Таблица А.1 – Модель для описания спектра РОР пленки диоксида кремния с примесями тяжелых элементов низкой концентрации № слоя 1 2 3 4 Толщина слоя, 𝑑 ∙ 1015 ат/см2 270 270 1070 720 Элементы слоя Элемент Концентрация, % C 15,055 O 54,6049 Si 30,03 Ba 0,06 Ta 0,25003 C 15,14 O 54,02 Si 30 Ba 0,54 Ta 0,3 C 15,33 O 54,19 Si 30 Ba 0,18 Ta 0,3 C 15 O 54,69 Si 30 Ta 0,31

75 Продолжение таблицы А.1 № слоя 5 6 7 8 Толщина слоя, 𝑑 ∙ 1015 ат/см2 575 475 370 15000 Элементы слоя Элемент Концентрация, % C 5,32106 O 64,3529 Si 30,006 Ta 0,320064 C 2,37 O 67,32 Si 30 Ta 0,31 C 15,325 O 54,375 Si 30 Ta 0,3 Si 100

76 ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное) Модели для описания экспериментальных спектров ядер отдачи Таблица Б.1 – Модель для описания экспериментальных спектров РОР и ЯО пленки диоксида кремния, содержащей примеси углерода, водорода и дейтерия № слоя 1 2 3 4 5 Толщина слоя, 𝑑 ∙ 1015 ат/см2 2600 200 200 3600 7000 Элементы слоя Элемент Концентрация, % C 19 O 3 H 24 D 54 C 5 O 3 Si 18 H 40 D 34 C 1 O 3 Si 40 H 30 D 26 Si 65 H 15 D 20 Si 100

77 ПРИЛОЖЕНИЕ В (обязательное) Модели для описания экспериментальных спектров ядерных реакций Таблица В.1 – Модель для описания экспериментальных спектров ядерных реакций пленки диоксида кремния, содержащей примеси углерода и азота № слоя Толщина слоя, 𝑑 ∙ 1015 ат/см2 1 1750 2 1750 3 20000 Элементы слоя Элемент Концентрация, % С 21 N 40 O 15 Si 24 С 26 N 44 O 6 Si 24 Si 100 Таблица В.2 – Модель для описания экспериментальных спектров ядерных реакций пленки диоксида кремния, содержащей примеси углерода и азота, предназначенная для определения глубины залегания максимальной концентрации кислорода № слоя 1 Толщина слоя, 𝑑 ∙ 1015 ат/см2 230 Элементы слоя Элемент Концентрация, % C 21 N 40 O 15 Si 24

78 Продолжение таблицы В.2 № слоя 2 3 4 5 6 Толщина слоя, 𝑑 ∙ 1015 ат/см2 437,5 437,5 437,5 1750 20000 Элементы слоя Элемент Концентрация, % C 26 N 49,92 O 0,8 Si 24 C 26 N 49,92 O 0,8 Si 24 C 26 N 49,92 O 0,8 Si 24 C 26 N 49,92 O 0,8 Si 24 Si 100

79 ПРИЛОЖЕНИЕ Г (обязательное) Экспериментальные и модельные энергетические спектры ядерных реакций кислорода при различных начальных энергиях ионов гелия Таблица Г.1 – Экспериментальные и модельные энергетические спектры ядерных реакций кислорода при разных энергиях f, 𝐸0 , Гц кэВ 27000 2984 27200 3028 Спектр

80 Продолжение таблицы Г.1 f, 𝐸0 , Гц кэВ 27225 3034 27250 3040 Спектр

81 Продолжение таблицы Г.1 f, 𝐸0 , Гц кэВ 27275 3045 27300 3051 Спектр

82 Продолжение таблицы Г.1 f, 𝐸0 , Гц кэВ 27325 3056 27350 3062 Спектр

83 Продолжение таблицы Г.1 f, 𝐸0 , Гц кэВ 27375 3068 Спектр

84 ПРИЛОЖЕНИЕ Д (справочное) Техника безопасности при работе на электростатическом генераторе Работники, прежде чем приступить к работе на электростатическом генераторе, обязаны четко знать и соблюдать установленные правила техники безопасности, не допускать действий, которые могут привести к пожару или возгоранию, а также к травмам сотрудников предприятия. Лица, виновные в нарушениях правил техники безопасности, в зависимости от характера нарушения и последствий, несут дисциплинарную, материальную или уголовную ответственность. В большинстве случаев пожары происходят по следующим причинам: 1) от курения в необорудованных или не отведенных для этого местах; 2) от неосторожного обращения с огнем; 3) от неисправностей и неправильной эксплуатации электросетей и электрооборудования; 4) от самовозгорания промасленной рабочей одежды и обтирочных материалов; 5) от умышленных поджогов. Для предупреждения пожаров требуется: 1) Не курить и не пользоваться открытым огнем в местах, где это запрещено. Во всех помещениях курение категорически запрещено, за исключением мест, специально отведенных и оборудованных для этой цели. 2) Не разводить огня на территории. Производство временных огневых работ, связанных с наличием открытого огня (газо- и электросварка, варка битума и др.) допускается только с разрешения пожарной службы. 3) генератора. Строго выполнять правила эксплуатации электростатического

85 4) Ни в коем случае не производить самостоятельно ремонт экспериментального оборудования. При обнаружении неисправности необходимо вызвать механика. 5) Не пользоваться неисправными и самодельно изготовленными электроприборами и электроинструментами, а также неисправными электровыключателями0 штепсельными вилками и розетками. 6) Уходя с работы, отключить освещение, электроприборы и электрооборудование. 8) Не загромождать проходы. Сгораемую тару, упаковочный материал удалять немедленно в специально отведенное место, не допуская их скопления. 9) Не хранить промасленную одежду в сложенном виде на складах. По окончании работы спецодежда должна оставаться в развешанном виде в специальных шкафах. 10) Рабочее место содержать в надлежащем порядке. После окончания работы убрать его. Отходы убрать в специально отведенное место. 11) Не загромождать подходы и подступы к противопожарному инвентарю. 12) Не пользоваться открытым огнем в газоопасных помещениях, в помещениях, где хранятся легковоспламеняющиеся жидкости, ведутся окрасочные работы. 13) Не открывать и не закрывать газо-запорную аппаратуру, если это не входит в обязанности. Не загромождать подходы к газовым приборам и вентилям. 14) При работе с газовыми баллонами строго выполнять правила обращения с ними, не допускать ударов и падений. 15) Необходимо призвать к порядку нарушителя правил пожарной безопасности и, если того требуют обстоятельства, сообщить руководителю подразделения или пожарной службы предприятия.

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

Рецензия от Алексей Александрович

Автореферат диссертации

больше 3 лет назад

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв