Вплив термовідпалу на дислокаційно-домішкову структуру кристалів - Автореферат

Було відкрито і досліджено явище анізотропії полів напруг в монокристалах кремнію з впорядкованою дислокаційною структурою та процес низькотемпературної повзучості кристалів CDHGTE під дією локального навантаження. Спираючись на динамічну теорію дифракції та вимірюючи безпосередньо дифузну складову розсіяння, експериментатори мають змогу визначити тип, розміри, концентрацію та розподіл дефектів в кристалах. Отже, актуальність теми ґрунтується і на тому, що подібні дослідження мають не лише фундаментальне, але й прикладне значення, бо дають основу для створення нових неруйнівних експресних методів діагностики структурної досконалості монокристалів. Дисертаційне дослідження є складовою частиною науково-дослідної роботи кафедри фізики металів фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка за темами: “Взаємодія дефектів структур з електронами, оптичними та рентгенівськими променями в керамічних матеріалах”, тема №97011, № держреєстрації 0197U003137; “Теоретико-експериментальні основи синхротронносумісної диференціальної та інтегральної Х-спектрометрії”, тема № 97513 (шифр 2.4/306), договір № Ф4/284-97; “Дослідження структурної досконалості перспективних монокристалічних матеріалів на базі роздільного вимірювання когерентної і дифузної частин розсіяння рентгенівського проміння”, №ДР 0194u030634; “Дефекти структури та їх вплив на оптичні, механічні та електрофізичні властивості кристалів з ковалентним типом звязку ”, в межах підрозділу “Трикристальна дифрактометрія реальних напівпровідникових кристалів”, шифр 0101U002474; “Дефекти структури та їх вплив на оптичні, механічні і електрофізичні властивості напівпровідників”, в межах підрозділу “Розсіяння рентгенівського проміння дислокаційними структурами”, шифр 01БФ 051-11. Для розкриття поставленої мети було передбачено вирішення наступних завдань: удосконалення методик механічного дослідження монокристалів на установках чотирьохопорного вигину та мікроіндентування; створення трикристального рентгенівського дифрактометра; розробка нової методики обрахунку параметрів ценрів розсіяння рентгенівських променів; вивчення впливу температури, часу відпалу та діючих механічних напруг на основні параметри структурної досконалості кристалу (тип, розмір, концентрація та розподіл дефектів) та характеристики рухливості введених в кристали дислокацій; порівняння отриманих результатів з літературними даними та представлення імовірної моделі утворення та еволюції дислокаційно-домішкових структур; вивчення явища анізотропії розсіяння рентгенівських променів впорядкованими дислокаційними структурами.У першому розділі “Огляд літератури” розглянуто численні літературні дані, які присвячені вивченню динаміки дислокацій у напівпровідникових кристалах і структурах, та розсіянню рентгенівських променів цими структурами. Розчинені атоми кисню в кремнії, вирощеному за методикою Чохральського (CZ-Si) при тривалому відпалі кристалів у температурному інтервалі 450 ? 1100ОС можуть випадати з твердого розчину у вигляді коагулянтів (термодонори - I або II [1]), чи навіть (при температурах 800 ? 1100ОС) порівняно великих преципітатів [2], що складаються в основному з молекул SIOX. У другому розділі “Методика експерименту” висвітлено методику виготовлення зразків, описано методи виявлення дислокацій, а також викладено методику дослідження динаміки руху дислокацій при деформаційному старінні та методику дослідження механічних властивостей при мікроіндентуванні. Для генерації дислокаційних напівпетель подряпиною та дослідження динаміки руху дислокацій було виготовлено установку, яка реалізує чотирьохопорну схему навантаження зразка. У третьому розділі “Дослідження еволюції дислокаційної структури кристалів в залежності від способів її введення” висвітлено основні результати по дослідженню рухливості введених в кристали кремнію 60О-х дислокацій як з твердофазними покриттями так і без них, та мікроповзучості монокристалів телуриду кадмію під дією локального навантаження.На базі серійного дифрактометра ДРОН-3,0 створено та введено в дію напівавтоматичний керований компютером трикристальний дифрактометр з спільною віссю обертання зразка та аналізатора. Запропоновано достатньо прості методи, які дозволили за допомогою інтегро-дифференціальної трикристальної дифрактометрії встановити тип центрів, що розсіюють рентгенівське випромінювання, і визначити їхні параметри: розміри і концентрацію. За стандартною методикою подвійного вибіркового травлення досліджувалася кінетика переміщення дислокацій у вихідних кристалах кремнію та кристалах, поверхня яких була вкрита твердофазними металевими покриттями. Встановлено, що в обох випадках довжина пробігу і, відповідно, швидкість коротких дислокацій практично лінійно зростають зі збільшенням довжини дислокації L. Встановлено, що в кристалах з металевими покриттями значення параметра було меншим, ніж у вихідних зразках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

1. На базі серійного дифрактометра ДРОН-3,0 створено та введено в дію напівавтоматичний керований компютером трикристальний дифрактометр з спільною віссю обертання зразка та аналізатора. Розроблено необхідне програмне забезпечення, яке дало можливість виводити записувану дифрактограму на екран компютера і визначати висоту, напівширину та інтегральну інтенсивність всіх трьох її піків, а також зберігати в памяті компютера всі вихідні дані. При цьому забезпечується точність визначення кутів повороту зразка та кристала-аналізатора з детектором біля 1?, а інтенсивності відбиття порядку 2% від вимірюваної величини. За своїми технічними характеристиками прилад задовольняє сучасним вимогам рентгенодифрактометричних досліджень і знаходиться на рівні світових стандартів.

2. Запропоновано достатньо прості методи, які дозволили за допомогою інтегро-дифференціальної трикристальної дифрактометрії встановити тип центрів, що розсіюють рентгенівське випромінювання, і визначити їхні параметри: розміри і концентрацію. Одночасно з дифрактограми визначаються дифракційні характеристики зразка: статичний фактор Дебая - Валлера і коефіцієнт ослаблення когерентної та дифузної складових випромінювання.

3. За стандартною методикою подвійного вибіркового травлення досліджувалася кінетика переміщення дислокацій у вихідних кристалах кремнію та кристалах, поверхня яких була вкрита твердофазними металевими покриттями. Встановлено, що в обох випадках довжина пробігу і, відповідно, швидкість коротких дислокацій практично лінійно зростають зі збільшенням довжини дислокації L. По досягненні деякого граничного значення швидкість дислокації перестає залежати від її довжини. Припускається, що при L>> дислокація починає одночасно взаємодіяти з декількома дефектами та ймовірно розбивається ними на відрізки за довжиною приблизно рівною . Встановлено, що в кристалах з металевими покриттями значення параметра було меншим, ніж у вихідних зразках.

Встановлено, що відбуваються немонотонні зміни кривих залежності довжини пробігу дислокацій від часу відпалу зразків. На цих кривих спостерігається область мінімуму.

Ці дані свідчать про протікання поблизу дислокацій досить складних процесів коагуляції домішкових атомів із зародженням з плином часу все більш потужних домішкових центрів.

4. Вперше встановлено явище анізотропії розсіяння рентгенівських променів в залежності від напрямку дислокаційних ліній по відношенню до падаючого променя. У випадку, коли впорядкований ряд дислокаційних ліній перпендикулярний площині відбиття, поля його напруг і деформацій більш інтенсивно розсіюють рентгенівські промені, ніж у випадку, коли дислокаційні лінії розміщені паралельно до цієї площини. В першому випадку розсіяння виявляється подібним до того, яке спричиняється полями локальних дефектів.

Ці спостереження дозволяють диференціювати розсіяння від впорядкованих дислокацій і точно визначити напрямок цих дислокацій в зразку, а також говорити про асиметричний характер полів напружень дислокацій і дислокаційних угрупувань.

5. Вперше встановлено, що в кристалах з введеними паралельними дислокаціями процес розпаду твердого розчину кисню прискорюється по відношенню до бездислокаційних зразків і утворення центрів розсіяння рентгенівського випромінювання може спостерігатися вже при 6000С при витримці зразків при цій температурі в межах години.

6. Встановлено, що в кристалах з введеними дислокаціями відбувається процес кластерування продуктів розпаду твердого розчину кисню на дислокаціях, чи поблизу них. Співставлення експерименту з теорією дозволяє оцінити розміри та концентрацію утворених кластерів. Одержані дані свідчать, що процес кластеризації ділиться на два етапи. При деформаційному старінні зразків спочатку утворюються менші за розмірами угрупування центрів розсіяння випромінювання, на другому етапі старіння відбувається коагуляція вже існуючих центрів розсіяння зі зменшенням концентрації останніх і зростанням їх розмірів.

7. Встановлено, що вже нетривалий (до 5 хв.) відпал зразків при температурі 600ОС викликає суттєву релаксацію внутрішніх напружень. При цьому інтенсивності дифузного та головного максимумів дифрактограм прямують до їх значень у ненапруженого зразка-еталона, а статичний фактор Дебая-Валлера зменшується.

Вперше експериментально зафіксовано, що вже при низьких температурах (при кімнатній та поблизу) в кремнії відбувається релаксація напружень в порушеному шарі. З підвищенням температури релаксаційні процеси посилюються.

8. Встановлено, що введені з зразок мікроіндентуванням його поверхні напруження відчутно змінюють інтенсивність як дифузного, так і головного максимумів дифрактограм. Подібні зміни інтенсивності піків дифрактограм відчуваються на відстанях приблизно до 1,5 мм від місця мікроіндентування.

Вперше підтверджено можливість суттєвої інтенсифікації процесів розпаду кисневого твердого розчину в напружених, спотворених в процесі мікроіндентування ділянках кристалу. Процеси коагуляції кисневомістких сполучень тут протікають так інтенсивно, що за 5-10 хв уже при 600ОС розміри преципітатів та дислокаційних петель стають субмікронними.

9. На базі виконаних досліджень запропоновано неруйнівний експресний спосіб інтегральної оцінки структурної досконалості монокристалів напівпровідникової та оптоелектронної техніки. Спосіб впроваджений на виробництві і захищений патентом України.

10. На підставі виконаних досліджень зясовано, що як динаміка дислокацій, а отже властивості міцності і пластичності матеріалів, так і розсіяння рентгенівських променів суттєво залежать від їх деформаційного старіння.

1. Бабич В.М., Блецкан Н.И., Венгер Е.Ф. Кислород в монокристаллах кремния. - К.: Интерпресс ЛТД, 1997. - 240 с.

2. Kislovskii E.N., Olikhovskii S.I., Molodkin V.B., Len E.G., Pervak E.V. Bragg Diffraction of X-Rays by Single Crystals with Large Microdefects III. High-Resolution Diffraction Measurements Bragg Diffraction of X-Rays by Single Crystals with Large Microdefects // Phys. St. Sol. (b). - 2002. - Vol. 231, № 1. - P. 213-221.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Новиков Н.Н., Горидько Н.Я., Стебленко Л.П., Теселько П.А. Характеристики подвижности коротких 600-ных дислокаций в кристаллах кремния с твердофазными покрытиями // УФЖ. - 1990. - Т. 35, № 5. - С. 772-776.

Горидько Н.Я., Новиков Н.Н., Теселько П.А., Маматов О.В.. О процессе термостарения дислокаций в кремнии // УФЖ. - 1991. - Т. 36, № 4. - С. 578-581.

Горідько М.Я., Новиков М.М., Теселько П.О. Еволюція дислокаційно-домішкових структур в процесі термостаріння кремнію // Вісник КУ. Фізико-математичні науки. - 1993. - № 1. - С. 58-64.

Горідько М.Я., Новиков М.М., Теселько П.О. Повзучість кристалів CDHGTE під дією локального навантаження // УФЖ. - 1995. - Т. 40, № 9. - С. 976-979.

Novikov N.N., Shevtsiv I.V., Shvidky V.A. and Teselko P.O. The X-ray triple crystal difractometry of silicon monocrystals with ordered dislocation structure // Phys. Stat. Sol. (a). - 1997. - Vol. 161. - P. 35-44.

Білик Ю.В., Новиков М.М., Горідько М.Я., Теселько П.О. Розсіяння рентгенівських променів упорядкованими дислокаційними структурами // Науково-методичний збірник “Фізико-хімія конденсованих структурно-неоднорідних систем”. Частина 2. - К.: НПУ. - 1998. - С. 284-287.

Новиков Н.Н., Олиховский С.И., Сушко В.Г., Теселько П.А. Простой способ определения основных параметров примесно-структурных несовершенств // Металлофизика и новейшие технологии. - 2001. - Т. 12, № 3. - С. 283-292.

Новиков Н.Н., Ивахненко С.А., Теселько П.А., Заневский О.А., Вишневский А.С. Двух и трехкристальная рентгеновская дифрактометрия кристаллов искусственного алмаза // Сверхтвердые материалы. - 2002. - № 5. - С. 17-25.

Новиков М.М., Пацай Б. Д., Теселько П.О., Оліховський С.Й. Діагностика домішково-структурних комплексів в матеріалах напівпровідникової електроніки методами трикристальної рентгенівської дифрактометрії за Бреггом // Фізичний збірник НТШ.-2002. - Т. 5, С. 76-82.

Новиков М.М., Теселько П.А., Ременюк П.І., Сушко В.Г. Спосіб інтегральної оцінки структурної досконалості кристалів // Патент України №42618. - 2001.

Горідько М.Я., Новиков М.М., Теселько П.О. Про необхідність врахування низькотемпературної повзучості при конструюванні елементної бази напівпровідникових приладів // Тези доповідей науково-практичної конференції “Наукомісткі технології подвійного призначення”. - Київ. - 1994. - Т. 2. - С. 29.

Білик Ю.В., Новиков М.М., Сушко В.Г., Теселько П.А. Трикристальна Х-дифрактометрія кремнію з домішково-структурними комплексами технічного походження // Міжнародна школа-конференція з актуальних питань фізики напівпровідників. Матеріали конференції. - Дрогобич. - 1999. С. 21-26.

Goridko N.Ya., Novikov N.N., Sushko V.G., Teselko P.A. Triple crystal X-ray diffractometry of ordered dislocations structure // Міжнародна школа-конференція з актуальних питань фізики напівпровідників. Матеріали конференції. - Дрогобич. - 1999. - С. 49-58.

Vesna G., Novikov N., Teselko P. The Impurity atoms Interaction with Dislocation in Various Types of Crystals // Third international school-conference “Physical problem in material science of semiconductors”. - Chernivtsi (Ukraine). - 1999. - P.22.

Білик Ю.В., Новиков М.М., Сушко В.Г., Теселько П.А. Трикристальна Х-дифрактометрія кремнію з домішково-структурними комплексами технічного походження // Міжнародна школа-конференція з актуальних питань фізики напівпровідників. Тези доповідей. - Дрогобич. - 1999. - С. 9.

Теселько П.О., Новиков М.М. Вивчення розсіяння рентгенівських променів деформаційно зістареними впорядкованими дислокаційними структурами // II українська наукова конференція з фізики напівпровідників. Тези доповідей. - Чернівці-Вижниця (Україна). - 2004. - Т. 1. - С. 184.

Goridko N.Ya., Sushko V.G., Teselko P.A. Anisotropy of fields of stresses in Si monocrystals with ordered dislocations structure // The European material conference EMRS. - Strasburg. - 1999. - H-17.

Novikov N.N., Sushko V.G., Teselko P.A. Determination of parameters of silicon monocrystals with distorted surface layers by triple-crystal X-ray difractometry // The European material conference EMRS. - Strasburg. - 1999. - F-23.

Новиков Н.Н., Теселько П.О. Двух и трехкристальная рентгеновская дифрактометрия монокристаллов синтетического алмаза // Международная конференция “Физика электронных материалов”. - Калуга (Россия). - 2002. - С. 394-395.