Особливості формування дифракційного контрасту дислокацій та їх комплексів в кристалах Si у секційній та проекційній Х-променевій топографії - Автореферат

Дисертація присвячена дослідженню особливостей формування дифракційних зображень окремих дефектів (дислокацій, дислокаційних петель) у кремнії та їх комплексів (включаючи макродеформаційні поля) на Х-хвильових топограмах. Значні труднощі виникають також при аналізі дефомаційних полів дефектів, які розміщені в "особливих" положеннях по відношенню до відбиваючих площин, зокрема, для дислокацій, коли їх лінія орієнтована вздовж відбиваючих площин і перпендикулярно до вектора дифракції. Моделювання дифракційних Х-хвильових зображень окремих дислокацій, дислокаційних петель та їх комплексів при дії зовнішніх чинників (ультразвукових деформацій, пружних еквідистантного та експоненційного згину атомних площин тощо) дозволяє не тільки уточнювати механізми і закономірності формування дифракційних зображень різного типу дефектів, але й створити передумови для розробки нових високоефективних методів їх структурної діагностики. У межах даної тематики автором за допомогою числових методів розвязку рівнянь Такагі проведено моделювання Х-хвильових зображень дефектів (дислокацій і дислокаційних петель) та досліджено особливості формування їх дифракційного контрасту на Х-хвильових топограмах в залежності від орієнтаційних характеристик. Дослідити вплив комбінованих спотворень (поля деформацій від дислокацій та макроскопічних пружних деформацій від ультразвукового поля, еквідистантного згину та ін.) на товщинні розподіли інтенсивності в палатці Бормана та на вихідній поверхні кристалу на секційних топограмах у випадку "особливих положень" крайової та 60-ти градусної дислокації по відношенню до вектора дифракції.Із проведеного аналізу Х-хвильових експериментальних і теоретичних досліджень структурної досконалості кристалів можна зробити висновок, що побудова модельних представлень дефектів різних типів, розрахунок їх дифракційних зображень і порівняння з уже відомими експериментальними даними дає змогу знайти оптимальні параметри опису їх деформаційних полів і полів зміщень, що значно підвищує ступінь однозначності трактування експериментальних даних. В результаті розрахунків отримані Х-хвильові секційні зображення окремих дислокаційних сегментів (рис.1), які не містили невідповідності як за розмірами, так і у вигляді сліду лінії дислокації. Обрана для дослідження орієнтація дислокації (“сторчкова” дислокація) цікава тим, що функція не залежить від товщини кристалу (рис.3), а формування її Х-хвильового дифракційного зображення відбувається за рахунок специфічних ефектів каналювання. a) б) Пряме зображення на секційних топограмах (рис.4) формується від області кристалу в декілька мікрон, а величина розорієнтації відбиваючих площин в цій області приблизно в два рази більша від ширини кривої відбивання досконалого кристалу. Аналіз розрахункових і експериментальних топограм (рис.4) виявляє деякі особливості формування товщинних осциляцій (рис.5,6) та топографічних зображень пружних полів деформації в сильно спотворених областях кристалу.Для вибраної моделі дислокаційної петлі внесок кожного окремого сегмента у формування зображення дислокаційної петлі на секційних топограмах є цілком конкретним і не повторює зображень інших сегментів. Тому внесок кожного сегмента ДП в загальне деформаційне поле у вибраній моделі не є простою адитивною дією, а визначається орієнтаційними характеристиками дислокаційних сегментів (вектор Бюргерса і напрямок лінії дислокації), а також розміщенням петлі за глибиною в кристалі . Виявлено особливості формування товщинних осциляцій інтенсивності в сильно спотворених областях кристалу поблизу лінії дислокації - виникає просторове квазіперіодичне хвильове поле з макроперіодом в декілька екстинкційних відстаней Ls, яке поширюється як по хвилеводу в області значних значень функції локальних розорієнтацій a(x,y). Врахування р-поляризації призводить до незначного звуження області формування "темної" пелюстки на розподілах Rh(x,y) й уширення області прояву світлих пелюсток зображення кристалу. Досліджено вплив комбінованих спотворень (поля деформацій від дислокацій та макроскопічних пружних деформацій від ультразвукового поля, еквідистантного згину та ін.) на просторові розподіли інтенсивності в палатці Бормана та на вихідній поверхні кристалу на секційних топограмах у випадку "особливих положень" крайової та 60-ти градусної дислокацій по відношенню до вектора дифракції.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

Встановлені та досліджені основні механізми і закономірності формування дифракційних зображень на секційних і проекційних топограмах окремих дефектів (дислокацій, дислокаційних петель) та їх комплексів у залежності від їх місцеположення в кристалі кремнію по відношенню до вектора дифракції та площини розсіяння. Зокрема: 1. Для співставлення експериментальних та розрахованих зображень дислокаційних петель (ДП) на секційних топограмах запропоновано модель ДП, яка складається із окремих сегментів 60-градусних дислокацій. Для вибраної моделі дислокаційної петлі внесок кожного окремого сегмента у формування зображення дислокаційної петлі на секційних топограмах є цілком конкретним і не повторює зображень інших сегментів. Тому внесок кожного сегмента ДП в загальне деформаційне поле у вибраній моделі не є простою адитивною дією, а визначається орієнтаційними характеристиками дислокаційних сегментів (вектор Бюргерса і напрямок лінії дислокації), а також розміщенням петлі за глибиною в кристалі .

Осциляції інтенсивності вздовж вектора дифракції, які спостерігаються на секційних топограмах для окремих дислокаційних сегментів стають менш контрастними або зникають зовсім під впливом деформаційних полів від інших сегментів ДП.

Зі зменшенням розмірів ДП їх дифракційні Х-хвильові зображення на секційних і проекційних топограмах повністю збігаються з раніше отриманими дифракційними зображеннями для мікродефектів.

2. Досліджено специфічні ефекти каналювання та повного зовнішнього відбивання Х-хвиль у випадку особливого "стирчкового" положення крайової дислокації в палатці Бормана. Виявлено особливості формування товщинних осциляцій інтенсивності в сильно спотворених областях кристалу поблизу лінії дислокації - виникає просторове квазіперіодичне хвильове поле з макроперіодом в декілька екстинкційних відстаней Ls, яке поширюється як по хвилеводу в області значних значень функції локальних розорієнтацій a(x,y).

На товщинних розподілах інтенсивності в площині розсіяння в областях розтягу під екстраплощиною дислокації амплітуда модових осциляцій інтенсивності різко зростає при наближенні до лінії дислокації. Період модових осциляцій інтенсивності значно перевищує період екстинкції (в 5-7 разів) і нелінійно збільшується зі зменшенням величини = . Це зумовлено збільшенням ефективної товщини кристалу, на якій набігання фази новоутворених інтерферуючих полів в сильно деформованій області кристалу дорівнює 2p. Така ж картина спостерігається і в області стиску (над площиною ковзання). Водночас амплітуда і період модових коливань значно менші. На топограмах в області розтягу під екстраплощиною формується темний (позитивний до фону) контраст.

3. Збільшення значень ?(х,у) призводить до трансформації зображення чотирипелюсткової дифракційної розетки дислокації таким чином, що нові пелюстки пониженої інтенсивності зявляються в напрямках максимальних змін деформацій. В цілому розподіл інтенсивності Rh(x,y) в області значних деформацій повторює вже вигляд похідної від функції локальних розорієнтацій.

Значні за інтенсивністю області розсіяння спостерігаються в місцях локалізації значних за величиною деформацій, при цьому їх зміна вздовж вектора дифракції (центральна область топограм) незначна.

В областях кристалу, де деформації незначні, але швидко змінюються, "специфічні" ефекти каналювання Х-хвиль вздовж відбиваючих площин повністю подавляються.

4. Врахування р-поляризації призводить до незначного звуження області формування "темної" пелюстки на розподілах Rh(x,y) й уширення області прояву світлих пелюсток зображення кристалу.

5. Досліджено вплив комбінованих спотворень (поля деформацій від дислокацій та макроскопічних пружних деформацій від ультразвукового поля, еквідистантного згину та ін.) на просторові розподіли інтенсивності в палатці Бормана та на вихідній поверхні кристалу на секційних топограмах у випадку "особливих положень" крайової та 60-ти градусної дислокацій по відношенню до вектора дифракції.

Показано, що найбільші трансформації товщинних розподілів інтенсивності та секційних картин відбуваються у випадку Х-променевого акустичного резонансу, коли подавляються, а в деяких випадках і підсилюються ефекти каналювання і повного зовнішнього відбивання.

Наявність макрозгину (еквідистантного та довгохвильового акустичного поля) пригнічує ефекти каналювання Х-хвильового поля та збільшують області прояву кінематичного зображення "стирчкової" дислокації.

Виявлені різноманітні за інтенсивністю інтерференційні ефекти перерозсіяння та внутрішнього відбивання породжених "нових" і вже існуючих хвильових полів на товщинних розподілах інтенсивності у випадку наявності в одній і тій же площині ковзання крайових дислокацій з паралельними і антипаралельними векторами Бюргерса.

6. Проведено співставлення топографічних Х-хвильових зображень “стирчкових”, 60-ти та 72-градусних дислокацій та їх комплексів (дислокаційних скупчень та границь) на основі числових розвязків рівнянь Такагі та рівнянь Інденбома-Чамрова. Досліджено особливості формування багатопелюсткових зображень крайових дислокацій та їх трансформації в залежності від розміщення дислокації у площині розсіяння. Показано, що секційні зображення дислокацій, в цілому, не відповідають вигляду функції локальних розорієнтацій . Водночас, в умовах аномального розсіяння Х-хвиль, розміри зображення та кількість пелюсток визначаються розташуванням дислокації в площині розсіяння, функцією і залежать від товщини кристалу. Зі збільшенням величини інтерференційного поглинання при переході до товстого кристалу покращується кутова роздільна здатність топографічного зображення дислокації.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ НАУКОВИХ ПРАЦЯХ

1. Новиков С.Н. Рентгеновская дифракция в кристаллах, содержащих дислокационные петли / С.Н. Новиков, И.М. Фодчук, А.Я. Струк // VI Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов. 12-17 ноября 2007. - Москва. - С.438.

2. Novikov S. X-ray images of dislocations and dislocation barriers in Si and SIC / S. Novikov, D. Fedortsov, I. Fodchuk, A. Struk // 9th Biennial Conference on High Resolution X-Ray Diffraction and Imaging (XTOP 2008), 15-19 September 2008 Linz (Austria).- P.124.

3. Новиков С. Рентгеновские секционные изображения дислокаций и дислокационных барьеров в Si и SIC / С. Новиков, Д. Федорцов, И. Фодчук, А. Струк, В. Гевик // VI Міжнародна школа-конференція "Актуальні проблеми фізики напівпровідників". Україна, Дрогобич 23-26 вересня 2008 р. - С.234.

4. Fedortsov D. X-ray images of dislocation loops and barriers in silicon crystals in the case of transmission geometry / D. Fedortsov, I. Fodchuk, S. Novikov, A. Struk // SPIE. - 2008 - 7008. - P.70081A.

5. Новіков С.М. Особливості формування Х-променевого дифракційного зображення дислокацій в Si / С.М. Новіков, І.М. Фодчук, Д.Г. Федорцов, А.Я. Струк // Матеріали ХІІ Міжнародної конференції “Фізика і технологія тонких плівок та наносистем”. 18-23 травня 2009. - Івано-Франківськ. - С.261.

6. Novikov S. X-ray section images of dislocation barriers in Si / S. Novikov,. I. Fodchuk, D. Fedortdov, A. Struk // Phys. Stat. Sol. - 2009. - A 206 No. 8. - Р.1820-1824.

7. Новиков С.Н. Формирование дифракционных изображений деформационных полей на рентгеновских топограммах при действии сосредоточенной силы / С.Н. Новиков, А.Я. Струк, И.В. Фесив, И.М. Фодчук // Металлофизика и новейшие технологии. - 2010 - т.32. - №8. - С. 1021-1031.

8. Фодчук И.М. Особенности формирования дифракционного изображения краевой дислокации на секционных рентгеновских топограммах / И.М. Фодчук, С.Н. Новиков, А.Я. Струк, Д.Г. Федорцов // Металлофизика и новейшие технологии. - 2010 - т.32. - №8. - С. 1033-1047.

9. Новиков С.М. Дифракційні зображення скупчень з крайових дислокацій на секційних Х-променевих топограмах / С.М. Новіков, А.Я. Струк, І.М. Фодчук // Металлофизика и новейшие технологии. - 2010 - т.32. - №9. - С. 1249-1262.

1*. Authier A. Dynamical theory of X-ray diffraction. Oxford: Science Publications, 2001. - 734 p.

2*. Данильчук Л.Н. Рентгеновская дифракционная топография дефектов в кристаллах на основе эффекта Бормана / Л.Н. Данильчук, А.О. Окунев, В.А. Ткаль Великий Новгород: НГУ: 2006. - 493 c.

3*. Шульпина И.Л. Рентгеновская дифракционная топография. Этапы и тенденции развития / И.Л. Шульпина // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2000. - № 4. - С. 3-18.

4*. Смирнова И.А. Формирование изображения краевой дислокации в поглощающем кристалле / И.А. Смирнова, Э.В. Суворов, Е.В. Шулаков // Физика твердого тела. - 2007. - 49, №6. - С. 1050-1055.