Мікропластичні властивості приповерхневих шарів кристалів кремнію

Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ІМ.І.М.ФРАНЦЕВИЧА

НАН УКРАЇНИ

УДК 548.4:439.216:532.2

МІКРОПЛАСТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПРИПОВЕРХНЕВИХ ШАРІВ КРИСТАЛІВ КРЕМНІЮ

Спеціальність 01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

СТЕБЛЕНКО ЛЮДМИЛА ПЕТРІВНА

КИЇВ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізики металів фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор, член-кор. НАН України, завідувач кафедри фізики металів Макара Володимир Арсенійович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор, член-кор. НАН України, завідувач відділу Мільман Юлій Вікторович, Інститут проблем матеріалознавства ім.І.М.Францевича НАН України

доктор фізико-математичних наук, професор, головний науковий співробітник Баранський Петро Іванович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач лабораторії Цмоць Володимир Михайлович, Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка

Провідна установа - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, кафедра напівпровідникової мікроелектроніки

Захист відбудеться “26” травня 2004 р. о 14:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.207.01 Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою: 03680, м.Київ-142, вул. Кржижанівського, 3

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою: 03680, м.Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

Автореферат розіслано 3 березня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Падерно Ю.Б.

дислокація кристал кремній магнітопластичний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Темпи зростання науково-технічного прогресу багато в чому визначаються успіхами напівпровідникового матеріалознавства, однією з центральних наукових проблем якого є проблема дослідження міцності і пластичності напівпровідникових матеріалів і пов'язана з нею проблема вивчення структурних недосконалостей кристалічної будови. Актуальність вивчення процесів пластичної деформації напівпровідникових кристалів визначається широким застосуванням їх в електроніці і оптоелектроніці, де пластична деформація виявляється неминучою при виготовленні та експлуатації робочих елементів. Саме тому вивчення рухливості дислокацій - процесу, який в значній мірі визначає пластичність кристалів в області малих деформацій, є незмінно актуальною задачею.

Матеріали мікроелектроніки, в тому числі кремній, в процесі їх одержання, а також в процесі виготовлення та роботи напівпровідникових приладів на їх основі піддають різноманітним видам обробки - механічним, хімічним, термічним, радіаційним та іншим. При таких зовнішніх впливах як тиск, деформація, опромінення, нагрів, охолодження і таке інше істотно змінюється характер домішкового стану та дислокаційної структури кристалів. Отже, будь-які зовнішні дії стимулюють еволюційні процеси, які визначають перехід дефектної структури з одних в інші термо- або метастабільні стани. Саме тому проблема дослідження впливу різних обробок на мікропластичні властивості кремнію, яка вирішується в даній роботі, є, безумовно, науково обґрунтованою і практично доцільною. Певні технологічні етапи виготовлення та експлуатації кремнійових структур супроводжуються впливом електронного збудження, пов'язаного з протіканням електричного струму та дією різноманітних фізичних полів: електричних, магнітних, тощо. Останнє може стимулювати зміну зарядового стану дефектів, їх міграцію і, в результаті, може приводити до зміни характеристик непружної деформації. В зв'язку з цим, здійснені в роботі дослідження взаємозв'язку між електронним збудженням і зміною мікропластичних властивостей є актуальними з точки зору розуміння структурної релаксації в кристалах кремнію. Не дивлячись на те, що проблема структурної релаксації в кристалах кремнію є актуальною як в науковому, так і в практичному відношенні, ця проблема до цих пір багато в чому залишається нерозв'язаною і відкритою. Відсутня узагальнююча теорія, в якій би з єдиних позицій висвітлювалась роль сформованих під дією тих чи інших обробок домішкових атмосфер у динамічній поведінці дислокацій в кристалах кремнію. Існуюча в літературі експериментальна база даних про вплив різноманітних зовнішніх факторів, зокрема електронного збудження, на динамічну взаємодію дислокацій з точковими дефектами в кристалах кремнію, фактично, також відсутня.

Цілком очевидним є наступний факт. Подальше вдосконалення технології напівпровідникових приладів неможливе без нагромадження фундаментальних досліджень закономірностей динамічної взаємодії дислокацій з точковими дефектами в кристалах кремнію, особливо, якщо дослідження цих закономірностей супроводжується електронним збудженням (дією електричного струму та фізичних полів). Вирішення в даній роботі вказаної наукової проблеми, носить піонерський характер. Дійсно, до теперішнього часу експериментальне вивчення впливу фізичних полів та електричного струму на пластичні властивості напівпровідникових кристалів, і зокрема кремнію, досліджувалось, в основному, тільки на рівні макропластичних характеристик пластичності. Перевага мікроскопічного підходу, який використовувався в роботі, полягає в тому, що він дає можливість знайти залежності досліджуваних релаксаційних характеристик від температури, концентрації дефектів, інших параметрів кристалів, які, в свою чергу, можуть бути визначені з незалежних вимірювань.

Товщина шарів в кремнійових багатошарових системах, як правило, змінюється від одиниць до десятків мікрометрів. В той же час практично всі дослідження по вивченню закономірностей рухливості дислокацій, описані в літературі, в основному, проводилось на дислокаційних сегментах значно більшої довжини, тобто на довгих дислокаціях. З нашої точки зору, особливо важливо вивчити динаміку приповерхневих дислокаційних відрізків, з довжиною, яка пропорційна, або співмірна з товщиною шарів напівпровідникових структур, що використовуються для інтегральних схем. Дислокаційні відрізки, вивчення яких здійснювалось нами, виходили своїми кінцями на поверхню зразка, мали довжину (глибину залягання під поверхнею) L 100 мкм і були названі короткими дислокаціями, на відміну від довгих (L 300 мкм) дислокацій, які переважно досліджуються в літературі. Практично будь-яка дія зовнішніх факторів на матеріал передається через вільну поверхню твердого тіла. Поверхневі шари, в більшості випадків, визначають поведінку і властивості всього об'єму матеріалу, його експлуатаційні характеристики. В зв'язку з цим виконані в роботі дослідження коротких приповерхневих дислокацій, розташованих в безпосередній близькості до вільної або модифікованої шляхом металізації та термообробки поверхні кремнію, є актуальними з точки зору розробки нових методів керування структурним станом і мікропластичними властивостями приповерхневих шарів матеріалу на різних стадіях пластичного деформування.

Механізм формування властивостей міцності та пластичності кристалів кремнію потребує детального фундаментального вивчення, що також підкреслює актуальність поставлених в роботі задач. Одним з ефективних способів підвищення конструктивної міцності матеріалу є ціленаправлене формування структури з оптимальним комплексом фізико-механічних властивостей. В зв'язку з цим вивчення взаємодії дислокацій з домішковими атмосферами представляє інтерес не тільки для розуміння пластичних властивостей кристалів, але й для розуміння механізму впливу дислокацій на механічні властивості.

Дислокації та точкові дефекти формують не лише фізико-механічні та пластичні властивості кристалів, але й грають певну роль у кінетичних та релаксаційних процесах, які протікають в них. В зв'язку з цим особливої уваги заслуговує вивчення дислокаційно-домішкової взаємодії при утворенні глибоких центрів - ефективних каналів безвипромінювальної рекомбінації, які визначають квантовий вихід люмінесценції. Наукова і практична значимість окреслених проблем вказує на актуальність та доцільність їх вирішення в даній роботі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок дисертаційної роботи зв'язаний з планами та програмами систематичних досліджень по фізиці міцності і пластичності кристалів, які проводились на кафедрі фізики металів Київського національного університету імені Тараса Шевченка в рамках таких бюджетних тем: а) ”Кремній” (номер держреєстрації 77057714 і б) “Взаємодія дефектів структури з електронами, оптичними та рентгенівськими променями в керамічних матеріалах” (номер держреєстрації 01970003137); в) “Дослідження впливу імпульсного лазерного випромінювання на структуру та властивості матеріалів” (номер держреєстрації 0194U031051); г) “Дослідження впливу електронного збудження на динамічну поведінку дислокацій в напівпровідниках” (номер гранту К5Р100, проект, здійснений за підтримки міжнародного наукового фонду та уряду України) та ін. і відповідає науковому напрямку “Матеріали та речовини”.

Таким чином, метою роботи є:

розробка фізичної моделі рухливості коротких приповерхневих дислокацій та розрахунок параметрів дислокаційно-домішкової взаємодії в кристалах кремнію з різним складом домішкових атмосфер;

виявлення нових електропластичних та магнітопластичних ефектів у кристалах кремнію;

створення нових методів керування мікропластичними характеристиками приповерхневих шарів кристалів кремнію з застосуванням лазерного випромінювання та з використанням ультразвукового навантаження;

вивчення взаємозв'язку між механічними, електричними, дифузійними характеристиками та процесами мікроруху дислокацій в приповерхневих шарах кристалів кремнію.

Основні задачі дослідження: Визначити вплив зовнішніх чинників (високотемпературної термообробки, металізації, електронного збудження) на природу дислокаційно-домішкової взаємодії в кристалах кремнію і виявити характер впливу цієї взаємодії на мікропластичні, мікромеханічні, дифузійні, електрофізичні параметри. Об'єктом дослідження є вирощені методом Чохральського кристали кремнію n- та р-типу провідності. Вивчені

також термооброблені, металізовані зразки Si, зразки кремнію, які пройшли магнітну, лазерну, ультразвукову обробку. Об'єктом досліджень були також зразки, які піддавались дії електричного поля та електричного струму різної густини. В роботі приведені результати, одержані для коротких сегментів ізольованих дислокаційних напівпетель системи ковзання (111) [011], введених на стороні розтягу зразка кремнію.

Наукова новизна роботи. Запропонований новий підхід до тлумачення поняття часу затримки дислокацій в позиції старту, який полягає в тому, що за цей час дислокація не залишається нерухомою, як припускалось у більш ранніх підходах, а прогинається між сильними перешкодами, які наявні в атмосфері дефектів, що оточує дислокацію.

Запропонована модель руху дислокації в домішковій атмосфері, яка дозволяє оцінити стартові характеристики та активаційні параметри рухливості дислокації в атмосфері: напруження старту для руху в атмосфері, енергію утворення перегинів, активаційний об'єм, енергію міграції дефектів, тощо.

Запропонована феноменологічна схема опису залежності швидкості руху дислокації після виходу з атмосфери від швидкості її руху в атмосфері, яка доводить корельований характер руху дислокацій.

Вперше теоретично показано, що впливаючи різними методами на структуру атмосфери, а саме, здійснюючи високотемпературну термообробку або металізацію кремнію, можна керувати як поведінкою дислокації в атмосфері, так і її поведінкою на наступному після відриву від атмосфери етапі.

Вперше експериментально виявлено ряд нових ефектів (об'єднаних назвою електропластичний ефект (ЕПЕ)), що з'являється у кристалах кремнію в процесі деформування при одночасному збудженні електронної підсистеми, а саме:

зниження мінімальної температури початку руху дислокацій (температурного порогу мікропластичності);

істотне зменшення в температурному інтервалі деформацій Т Т_кр (Т_кр = 973 К) часів затримки під впливом постійного електричного струму або електростатичного поля, а також зменшення стартових напружень для руху дислокацій;

значне зростання швидкостей руху дислокацій при протіканні електричного струму при температурах Т Т_кр, а також ефект зменшення швидкості руху дислокацій у порівнянні з вихідними зразками при температурах Т Т_кр та при додатковій високотемпературній термообробці (інверсія знаку ЕПЕ);

посилення ЕПЕ при введенні в кристали кремнію електрично заряджених термодефектів - термодонорів;

ефект “пам'яті” дислокаціями впливу електричного струму або електричного поля, який полягає в тому, що при наступному після електронного впливу механічному навантаженні дислокації рухаються із такими швидкостями, які вони мали б при одночасній дії електронного збудження та механічного напруження.

Вперше встановлені закономірності магнітопластичного ефекту, який виникає в кристалах кремнію при дії постійного магнітного поля, які проявляються в:

зростанні часів затримки та стартових напружень для руху дислокацій;

існуванні “пам'яті” дислокаціями впливу магнітного поля;

зменшенні величини ЕПЕ при попередній дії магнітного поля.

Експериментально підтверджена і розвинута концепція лазерного управління процесами рухливості дислокацій в кристалах кремнію.

Вперше експериментально доведено, що з допомогою ультразвукової обробки (УЗО) кристалів кремнію можна істотно впливати на характер взаємодії дислокацій з підсистемою точкових дефектів.

Вперше проведений порівняльний аналіз мікропластичних та мікромеханічних властивостей кристалів кремнію. Визначені температурні інтервали кореляції цих властивостей.

Вперше встановлена кореляція між характером розподілу домішок, який відповідає протіканню в збуджених кристалах кремнію процесів рекомбінаційно-стимульованої дифузії, і динамічною поведінкою дислокацій у збуджених зразках.

Методом релаксації фотопровідності досліджено характер релаксації зарядових станів дислокацій та домішкових атмосфер в залежності від дії на кристали кремнію тих чи інших зовнішніх чинників. Показано, що передісторія зразка істотно впливає на релаксаційні процеси.

Попередні дослідження, здійснені іншими авторами, проводилися або на бездислокаційних зразках, або на зразках, які не мали відповідної передісторії (не зазнавали дії зовнішніх чинників). На відміну від більш ранніх досліджень, в даній роботі враховані обидва фактори впливу на релаксаційні процеси.

Практична цінність роботи полягає в тому, що її результати сприяють більш глибокому розумінню фізичної природи дислокаційно-домішкової взаємодії в кристалах напівпровідників при дії різноманітних зовнішніх чинників. Вони відкривають нові перспективи розвитку теорії пластичності кристалічних твердих тіл і, зокрема теорії рухливості дислокацій в кристалах з високими бар'єрами Пайєрлса при збудженні електронної підсистеми кристалу. Результати роботи можуть бути використані для рішення і інших актуальних як фундаментальних, так і прикладних задач. Значення отриманих результатів полягає й у тому, що вони отримані на стикові різних наукових областей - фізики міцності і пластичності, електрофізики, фізики магнітних явищ, фізики дифузійних процесів, - збагачують відповідні області і стимулюють проведення комплексних досліджень, які об'єднують різні наукові галузі.

Отримані результати можуть бути використані для більшого розуміння і прогнозування поводження напівпровідникових матеріалів в процесі електронного збудження та при модифікації їх поверхні шляхом металізації, високотемпературної термообробки, лазерної, ультразвукової обробки, тощо. Одержані в роботі наукові результати і встановлені фізичні закономірності мають практичний інтерес для вдосконалення режимів створення потрібних структурних станів в напівпровідникових технологіях мікроелектронної промисловості. Виявлені ефекти тривалого зберігання кристалами кремнію, що містять дислокації, “електричної пам'яті”, яка виникає при дії на кристали кремнію електричного поля та електричного струму, а також “магнітної пам'яті”, обумовленої впливом магнітного поля, можуть бути використані при створенні пристроїв з елементами пам'яті.

Особистий внесок здобувача. Експериментальні та теоретичні дослідження за темою дисертації, писання наукових статей, підготовка доповідей та їх тез виконані автором особисто або за його безпосередньою участю [1-23а]. Авторові особисто належать: основні ідеї, наукова постановка цілей і задач дослідження, планування шляхів їх вирішення, наукове обґрунтування вибору об'єктів, розробка методології експериментальних досліджень та їх виконання, аналіз та інтерпретація результатів, створення теоретичних моделей та наукові висновки. Постановка задач досліджень в роботах [5,14] здійснена сумісно з Обуховським В. В. В роботах [12,13,21] експерименти по впливу ультразвуку та релаксації фотопровідності в кремнії проводились співавторами Островським І. В. та Надточієм А. Б., а здобувачу належить постановка проблеми, виконання експериментів по дослідженню рухливості дислокацій, інтерпретація результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи обговорювались і доповідались на міжнародних та міжнаціональних конференціях, симпозіумах, нарадах:

ІІІ-ій Всесоюзній нараді по дефектам структури в напівпровідниках за участю зарубіжних країн (Новосибірськ, 1978); ІІ-ій Всесоюзній школі по фізиці міцності і пластичності (Харків, 1981); V International symposium “Structure and properties of dislocations in semiconductors” (USSR, Moscow, 1986); Міжнародних конференціях “Getterind and Defect Engineering in Semicanductor Technology” (Gadest'93, Німеччина, Франкфурт, 1993; Gadest'99, Швеція, Hццr,1999); Міжнародній конференції за участю країн НАТО Workshop “Mesoscopic'95 (Україна, Київ, 1995); Міжнародному семінарі “Актуальні проблеми міцності і пластичності” (Росія, Санкт-Петербург, 1996); Міжнародній конференції Spie'97 (Україна, Київ, 1997); ІІ-ій Міжнародній конференції “Наукові проблеми оптики та сучасного матеріалознавства” (Україна, Київ, 2001 р.); International Ultrasonics Symposium A Joint Meeting with the World Congress on Ultrasonics (2001 JEEE, Atlanta, Georgia, USA, 2001); International conference “Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges” (Kуiv, Ukraine, 2002); 22-nd International Conference on Defects in Semicondactors (Denmark, Aarhus, 2003).

Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 24 працях у фахових наукових журналах.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків та списку використаних джерел у кількості 262 найменувань. Загальний обсяг дисертації становить 401 сторінку, у тому числі 69 рисунків, 15 таблиць та список цитованої літератури - загалом на 86 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета і задачі дослідження, визначена наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, наведено інформацію про апробацію результатів дисертації та особистий внесок автора.

У першому розділі стисло поданий аналіз сучасних експериментальних досліджень та теоретичних уявлень про рухливість дислокацій у напівпровідникових кристалах. В матеріалах з великим бар'єром Пайєрлса (Si, Ge та ін.) рух дислокацій обумовлюється активаційним механізмом: під дією термічних флуктуацій дислокація викидає в сусідню потенціальну долину ділянку обмежену двома перегинами (подвійний перегин). Час утворення і розширення такої ділянки визначає рухливість дислокацій. В роботі показано, що поряд з утворенням подвійних перегинів, визначальним у процесі руху дислокацій є вплив домішкового стану кристалів. Виявлено, що дефектно-домішкова підсистема модифікується (перебудовується) під дією різноманітних обробок кристалів (високотемпературної обробки (ВТО), металізації, тощо). Процеси ВТО та металізації впливають на еволюцію домішкової атмосфери (атмосфери Котрела), яка утворюється в околі дислокацій при виведенні останніх в положення старту і яка характеризується істотним підвищенням концентрації точкових дефектів в області дії виникаючих пружних напружень.

Утворення домішкових атмосфер обумовлене пружною, електричною або хімічною взаємодіями дислокацій з домішковими атомами. Атмосфери складаються з дефектів різного розміру і потужності. При сумісній дії напруження та температури Т вздовж дислокації відбувається дифузія домішкових атомів, до того ж дрібніші з них намагаються дифундувати до крупніших, що призводить до укрупнення існуючих коагулянтів. Останнє ускладнює умови відриву дислокацій від домішкових атмосфер. Виявлено, що при не дуже великих напруженнях і температурах на процес відкріплення дислокації від домішкової атмосфери потрібний деякий час, названий в даній роботі часом затримки початку руху дислокацій. Отже, серед фізичних ефектів, які спостерігались при розгляді особливостей руху коротких приповерхневих дислокаційних сегментів в кристалах кремнію, було нове явище, яке полягало в тривалій затримці дислокацій в стартовому положенні.

Наявність потужної домішкової атмосфери є однією з причин виникнення ефекту “затримки” початку руху дислокацій. За рахунок появи часів затримки (t_з) лінійний характер залежності довжини пробігу l коротких дислокацій від часу дії навантаження t в кристалах порушується (рис.1). В цьому полягає особливість руху коротких дислокацій, яка відрізняє їх рух від руху довгих дислокаційних відрізків, для яких в усьому досліджуваному діапазоні температур і зовнішніх напружень спостерігається лише лінійна залежність l(t).

В першому розділі описано новий підхід до тлумачення поняття часів затримки дислокацій в положенні старту. Новизна підходу полягає в тому, що раніше при створенні модельних уявлень дислокація, яка знаходилась в стартовому положенні в оточенні щільної домішкової атмосфери, вважалась нерухомою.

В розробленій в даній роботі моделі розглядається ситуація, яка є більш реальною: в оточенні атмосфери відсутнє “жорстке” закріплення дислокації домішковими атомами та їх комплексами. Викликає сумнів, що час затримки початку руху дислокації, який спостерігається при сильних термомеханічних впливах, відповідає стану “абсолютного спокою” дислокації. В зв'язку з цим пропонується досить природня гіпотеза про наявність мікроскопічного руху дислокацій в домішковій атмосфері, яка оточує дислокацію і яка утримує її в стартовому положенні. Ефект затримки характеризується не станом “абсолютного спокою”, а станом мікроруху (переміщенням дислокації всередині атмосфери Котрела з дуже малою швидкістю). На дислокації за час t t_з під дією температури починають утворюватись, а під дією зовнішнього навантаження - розбігатись парні перегини, перекидаючи дислокацію в наступну долину Пайєрлса. Всі дрібні точкові дефекти атмосфери, яка оточує дислокацію, при цьому долаються легко з допомогою термічних флуктуацій. Але зустрівши сильний атермічний стопор, перегин зупиняється перед ним на тривалий час (рис.2). За цей час на ділянці (відстань між сильними перешкодами) встигають зароджуватись нові перегини і процес продовжується до тих пір, доки між двома сильними бар'єрами не утвориться критичного розміру “суперперегин”, тобто доки не зависне дислокаційна петля глибиною Na, де N - максимальна кількість пройдених петлею міжатомних відстаней а.

В розробленій нами моделі швидкість мікроруху дислокацій в атмосфері _а можна виразити формулою

, (1)

де Na - глибина прогину дислокаційної петлі, або шлях, який проходить дислокація в атмосфері, t_з - експериментально виявлений час затримки дислокацій.

Виявилось, що час затримки опосередковано характеризує стан домішкової атмосфери. Тому і вимірювання часу затримки, а також стартових напружень на зразках дозволяло контролювати стан атмосфери домішкових та точкових дефектів.

Експерименти, проведені на вихідних, термооброблених та металізованих зразках кремнію показали, що швидкість руху дислокації після зриву з сильних перешкод, тобто швидкість поза атмосферою _п.а. залежить від часу затримки t_з на них і описується емпіричним співвідношенням

, (2)

де Р - імовірність того, що після утворення подвійного перегину його енергія при подальшій еволюції не перевищить свого початкового значення. Параметр Р визначається різницею концентрацій дефектів в початковій та сусідній долинах кристалічного рельєфу та зміною, зв'язаної з дефектом енергії дислокації. В одержаному співвідношенні (2) параметр Р, який був введений до теоретичного розгляду Пєтуховим, допускає можливість флуктуації енергії подвійного перегину, утвореного на дислокації. По суті, даний параметр відображає вплив вторинного рельєфу Пайєрлса, змінний потенціал якого обумовлений наявністю домішок на первинний рельєф Пайєрлса, обумовлений змінним потенціалом решіточних зміщень.

При створенні моделі рухливості коротких дислокацій в кристалах кремнію з різним домішковим складом нами було з'ясовано надзвичайно цікаве питання про зв'язок між швидкістю дислокацій в домішковій атмосфері та швидкістю їх руху після проходження атмосфери. Була одержана формула, що пов'язує між собою швидкість дислокації в атмосфері і за її межами

(3)

Формула (3) вказує на те, що швидкість руху дислокації після виходу з атмосфери залежить від того, яку швидкість розвиває дислокація в атмосфері, а також від параметра Р.

Формула (3) свідчить про лінійний характер залежності швидкості дислокації в атмосфері і за її межами. В розробленій моделі іншим методом була одержана ще одна формула для зв'язку між двома швидкостями _п.а. та _а, яка теж указує на те, що між двома швидкостями, що розглядаються, існує лінійна залежність

, (4)

де коефіцієнт С залежить від температури.

Використовуючи формулу (4), а також графіки експериментальної залежності _п.а. f, ми оцінили шлях Na, який проходить дислокація в атмосфері. Цей шлях, з нашої точки зору, корелює з величиною атмосфери, яка утримує дислокацію в стартовій позиції. Імовірно, розраховані величини Na відповідають випадку, коли дислокація досягає критичної величини прогину і відкріплюється від стопорів. Отже, в даному випадку величину Na слід розглядати як критичний прогин, при якому дислокація або зривається зі стартових позицій, або локально змінює свою орієнтацію поблизу перешкоди за рахунок утворення зламу (сходинки). На основі розрахунків вияснилось, що величина атмосфери у вихідних кристалах зменшується з ростом температури, а в металізованих - зростає. Виявилось також, що експериментально визначені часи затримки добре корелюють із розмірами атмосфери, а отже, із значенням прогину Na.

Як показали дослідження та їх аналіз, розмір атмосфери - динамічний параметр, який залежить від впливу зовнішніх факторів, - температури, механічного напруження. Виявилось, що зі зміною температури, механічного напруження та зі зміною швидкості дислокацій, змінюється динамічна взаємодія дислокацій з атмосферою, що впливає на розмір атмосфери в околі дислокацій. Виявилось також, що процеси металізації та термообробки дислокаційних кристалів кремнію пов'язані з формуванням таких домішкових атмосфер, які за своїми характеристиками (розміром, потужністю та динамічною взаємодією з дислокаціями) відрізняються від атмосфери, що оточує дислокацію у вихідному кремнії.

Одержані на основі розвинутих модельних уявлень вирази (3), (4), дають можливість стверджувати, що короткі дислокації характеризуються такою властивістю, як корельованість руху. Корельований характер руху дислокацій обумовлюється наявністю потужних атмосфер, що утримують дислокації в стартових позиціях. Механізм та фізична природа корельованого руху полягає в тому, що дислокація, перебуваючи “на старті” в оточенні щільної атмосфери “запам'ятовує” зовнішню дію, і в подальшому реагує на кожну дію відповідним перерозподілом дефектів і відповідним характером руху. Таким чином, дислокації притаманна своєрідна “пам'ять” впливу атмосфери. Швидкість руху дислокацій в атмосфері (на старті) і поза атмосферою визначається саме цією атмосферою та зовнішніми факторами (напруженням, температурою), які в тій чи іншій мірі впливають на процес подолання атмосфери.

Встановлена нами емпірична формула часу подолання атмосфери від прикладеного напруження і температури дозволила визначити активаційний параметр V(), якому в розробленій моделі надається значення активаційної енергії руху дислокацій в атмосфері. Одержана в роботі емпірична залежність V() може бути апроксимована виразом виду:

V = V_o - , (5)

де V_o - висота потенціального бар'єру, що долає дислокація за рахунок лише термічних флуктуацій при відсутності зовнішніх, діючих на кристал напружень (або енергія утворення суперперегину при 0); - активаційний об'єм процесу подолання дислокацією атмосфери точкових дефектів.

Емпірична залежність (5) була використана нами для контролю еволюції структурних параметрів (таблиця 1), до яких, перш за все, відносяться такі параметри, як концентрація закріплюючих дислокацію центрів (N), віддаль між цими центрами (l) та активаційний об'єм (), який, власне, визначає механізм подолання дислокаціями пов'язаних з домішками потенціальних бар'єрів.

Одержані результати засвідчують, що передісторія зразка (термообробка, металізація) впливає на параметри, які визначають рух коротких дислокацій в домішкових атмосферах і виступає важливим параметром, який потрібно враховувати при вивченні динаміки дислокацій.

Аналіз робіт по взаємодії ядер дислокацій і перегинів на них з точковими дефектами решітки дозволяє заключити, що одним з можливих механізмів взаємодії дислокацій з домішковими атомами є слідування домішкових атомів за рухомими перегинами на дислокації. Альтернативними механізмами взаємодії дислокації з домішковим атомом є відрив перегину від домішки, а також повна зупинка перегину на домішці.

Таблиця 1 -Параметри, які визначають рух коротких дислокацій в атмосфері

№ п/п	1	2	3	4
Тип зразка кремнію	V0, еВ	, 10-27 м3	N, 108 м-1	, 10-8 м
Вихідний	2,35	1,11	1,41	0,70
Термо-оброблений	1,91	3,50	0,50	2,10
Металізований міддю	1,80	1,63	0,93	1,08
Металізований нікелем	2,00	1,46	1,05	0,95

Примітка до табл.1. Значення V_о та визначались по експериментальній залежності lnt₃ f(1/T). Параметри, представлені в таблиці, одержані в області існування часів затримки.

В зв'язку з висловленими міркуваннями логічно і доцільно, з нашої точки зору, при розгляді питання про рухливість дислокацій в атмосфері та за її межами ввести поняття нового дефекту - комплексу “дислокація-домішка” (Д-Д) та поняття бар'єру міграції для вказаного комплексу.

В розвинутій в роботі моделі припускається, що в кристалах кремнію, крім відомих двох видів бар'єрів - обумовлених хімічним зв'язком енергетичних бар'єрів Пайєрлса та локальних бар'єрів, обумовлених густиною домішкової атмосфери і пов'язаних з точковими дефектами, які закріплюють дислокації в стартових позиціях і гальмують розбігання перегинів, існують також міграційні бар'єри. Ці бар'єри раніше не враховувалися при розгляді рухливості дислокацій в кристалах з високими бар'єрами Пайєрлса.

Міграційні бар'єри, як показали проведені нами розрахунки, обумовлені ступенем рухливості - енергією активації дифузії, домінуючих в комплексі “дислокація-домішка” дефектів та енергією зв'язку в комплексі між окремими його складовими.

Як показав аналіз експериментальних результатів, структура і міграційні характеристики комплексу Д-Д залежать від передісторії зразків кремнію (високотемпературна термообробка, металізація, тощо). В роботі проаналізовано поведінку розрахованих параметрів міграції з точки зору співвідношення між енергією міграції комплексу “дислокація-домішка” Q_o та енергією зв'язку в цьому комплексі (таблиця 2).

Таблиця 2 - Параметри, якими визначаються процеси міграції комплексу "дислокація-домішка" в атмосфері та за межами атмосфери

№ п/п	1	2	3	4	5	6	7
Тип зразка кремнію	, еВ	, еВ рух в атмо-сфері	Qo, еВ рух поза атмо-сферою (область напру-жень кр.)	Qo, еВ рух поза атмо-сферою (область напру-жень кр.)	1 =-, еВ рух в атмо-сфері	2 =- Qo, еВ рух по-за ат-мосфе-рою (об-ласть напру-жень кр.)	3 =- Qo, еВ рух по-за ат-мосфе-рою (об-ласть напру-жень кр.)
вихідний	2,90	2,48	2,40	1,50	0,42	0,50	1,40
термооб-роблений	3,51		6,06	1,61		*-2,55	1,91
металізо-ваний міддю	3,04	3,48	3,21	1,22	*-0,44	*-0,16	1,84
Металізований нікелем	3,24	3,92	3,47	0,80	*-0,68	*-0,23	2,44

Примітка до табл.2: Для зразків, помічених * енергія міграції та Q_o виявилась більшою за енергію зв'язку , і відповідні параметри - є від'ємними величинами. Знак "-" свідчить лише про те, що енергія міграції перевищує енергію зв'язку.

Приймається до уваги, що параметром , приведеним в таблиці 2, визначаються процеси міграції дефекту Д-Д. Знак параметра свідчить про характер процесів міграції. Якщо параметр є додатньою величиною - це означає, що енергія міграції менша за енергію зв'язку, і, отже, домішка мігрує слідом за дислокацією (разом з дислокацією). Якщо параметр є від'ємною величиною - це означає, що енергія міграції більша за енергію зв'язку, міграційний бар'єр у цьому випадку великий і комплекс Д-Д не може його подолати, і відповідно, не може потягнути домішку за собою. Дислокація в такому випадку може просуватись вперед лише відірвавшись від домішки, і залишивши домішку в площині ковзання.

Якщо знак параметра вказує на характер міграційних процесів, то його абсолютна величина свідчить про інтенсивність процесів міграції. Чим менша величина параметра , тим менш інтенсивні процеси, пов'язані з міграцією, протікають в комплексі "дислокація-домішка". Можливі такі граничні випадки (при напруженнях значно менших за стартові), коли за реальні часи експерименту необхідні для початку руху дислокацій міграційні процеси в системі “дислокація-домішка” не відбудуться, оскільки енергія міграції в цьому випадку практично співпадає з енергією зв'язку. Наслідком такої ситуації буде наявність нескінчено великих часів затримки та відсутність руху дислокацій. Такі випадки мають місце при температурах, нижче порогу пластичності (для кремнію Т_порог. 773 К) та при напруженнях _ст.

Здійсненими в роботі розрахунками показано, що на величину бар'єрів міграції впливають механічні напруження та температура. При цьому зменшення бар'єру міграції в термооброблених зразках відбувається, в основному, за рахунок термічної активації, а зовнішні напруження практично не впливають на величину бар'єру міграції. В той же час проведений аналіз показав, що головну роль у подоланні міграційних бар'єрів у вихідних та в металізованих зразках відіграють не термічні флуктуації, а механічне напруження.

Виявилось, що параметри міграції комплексу “дислокація-домішка” залежать не тільки від термоактиваційної енергії та зовнішнього механічного напруження, але й від степені рухливості дефектів в цьому комплексі, тобто від характеристик дифузії тих домішок, які закріплюють дислокацію в стартовому положенні.

У вихідних зразках в процесі руху дислокація декорується домінуючими в кристалах домішками, скоріше за все киснем, який характеризується великим значенням енергії активації дифузії по дислокаціям. Експерименти по інверсії напрямку ковзання підтвердили, що дислокація у вихідних зразках не звільняється від декоруючих домішок, а рухається разом з домішковою атмосферою, яку потім виносить на поверхню. В металізованих зразках вказане декорування в процесі руху дислокацій відсутнє. Завдяки малій енергії активації дифузії, домінуючі в металізованих зразках металеві домішки (мідь, нікель) дифундують швидко по дислокації і залишають дислокацію. Експерименти по інвертуванню напрямку зовнішніх механічних напружень показали, що домішки, які залишили дислокацію, осідають в площині ковзання, а дислокація рухається далі недекорованою. Таким чином, бар'єри міграції обумовлені енергією зв'язку в комплексі “дислокація-домішка”, яка, в свою чергу, визначається степенем рухливості або коефіцієнтом дифузії дефектів в цьому комплексі.

Було встановлено, що енергія зв'язку в комплексі “дислокація-домішка” визначається не тільки термоактиваційними та термодинамічними параметрами, але й геометричними розмірами самих дислокацій. Дійсно, з отриманого в роботі співвідношення між висотою бар'єру міграції і довжиною дислокаційного сегмента випливає, що із збільшенням довжини сегмента L висота міграційного бар'єру повинна зменшуватись. В свою чергу, нівелювання ролі бар'єрів міграції на довгих дислокаціях може бути головною причиною зникнення часу затримки на початку руху довгих дислокаційних сегментів.

Імовірною причиною високих бар'єрів міграції у коротких дислокацій є велика густина домішкової атмосфери в околі дислокації. Саме велика густина атмосфери - велика концентрація домішкових атомів на одиницю довжини дислокації, а отже, і велика потужність атмосфери зумовлює зростання енергії зв'язку між дислокацією та домішками. Наявність у коротких дислокацій сильного зв'язку між дислокацією і домішкою приводить до виникнення часів затримки на початку їх руху. І навпаки, відсутність у довгої дислокації сильного зв'язку в комплексі дислокація-дефект приведе до відсутності часу затримки на початку руху довгих дислокацій.

Поділ дислокацій на “короткі” та “довгі” є і абсолютним і відносним. Якщо вважати, що основною рисою “коротких” дислокацій є наявність у них часів затримки в області низьких механічних напружень ( _кр), то очевидно, в області _кр, де часи затримки зникають, “короткі” дислокації поводять себе як довгі і тому за геометричними розмірами ці дислокації можна називати “короткими”, а за характером динамічної поведінки - “довгими”. Таким чином, “короткими” дислокації можна вважати тоді, коли вони рухаються в атмосфері.

В першому розділі представлені розраховані активаційні параметри руху “коротких” та “довгих” дислокацій з урахуванням різного роду бар'єрів - кристалічних бар'єрів Пайєрлса, локальних бар'єрів у вигляді закріплюючих дислокацію центрів та міграційних бар'єрів комплексу “дислокація-домішка”. Проведені розрахунки показали, що активаційні параметри, зокрема, енергії утворення суперперегинів та перегинів, які описують мікрорух “коротких” дислокацій в атмосфері та рух “довгих” дислокацій за межами атмосфери, корелюють між собою. Це доводить спільність (універсальність) фізичних механізмів, які контролюють рух дислокацій в домішковій атмосфері та її межами.

Поскільки домінуючий внесок у корельований характер руху дислокацій робить домішкова атмосфера, то подібний вплив домішкових атмосфер на динамічну поведінку дислокацій, безперечно, повинен враховуватись при розгляді процесів мікроруху дислокацій, які формують пластичні властивості кристалів з високими бар'єрами Пайєрлса. Визначений в роботі своєрідний “атлас” мікроскопічних характеристик коротких дислокацій дозволяє не лише прогнозувати, але й керувати мікропластичнимивластивостями приповерхневих шарів кристалів кремнію.

У другому розділі проведено аналіз існуючих літературних даних, які стосуються зв'язку рухливості дислокацій з ефектами електронного збудження кристалів, електроніки дефектів у напівпровідниках та рекомбінаційно-стимульованих реакцій на дефектах. Представлений аналіз свідчить про те, що вплив електронної підсистеми на пластичність пов'язаний з локалізацією носіїв на ненасичених валентних зв'язках, які виникають в актах переключення хімічних зв'язків при русі перегинів. Електричні властивості дислокацій (знак і величина нескомпенсованого заряду дислокацій), в значній мірі, визначаються також домішковим складом кристалу, а самі електрично активні дефекти, які виникають в ході попередніх обробок кристалів здатні вплинути на ефективність рекомбінації нерівноважних носіїв струму і змінити рухливість та час життя носіїв. Розгляд взаємодії домішок з дислокаціями на мікрорівні, здійснений в даній роботі, може допомогти в виясненні природи як властивостей пластичності, так і в виясненні природи електрофізичних властивостей кремнію.

З короткого огляду робіт слідує, що питання про взаємозв'язок динамічної поведінки дислокацій з різними способами електронного збудження напівпровідників, не дивлячись на всю свою актуальність, до цих пір не вирішене. Складність вирішення цього питання обумовлене декількома причинами. По-перше, у процесі пластичної деформації кристалу дуже важко виділити внесок, обумовлений саме дислокаціями, а не точковими дефектами. Друга причина полягає у різноманітності та мінливості електронних станів самих дислокацій. Між тим, окреслена проблема заслуговує на увагу внаслідок практичної важливості і наукового інтересу. В зв'язку з цим одним з основних питань, які вивчались в даній роботі, було визначення ролі електричного струму у формуванні мікропластичних властивостей приповерхневих шарів кристалів кремнію.

Експериментальне вивчення впливу електричного струму на кінетичні та динамічні характеристики коротких дислокацій здійснювалось із залученням традиційної методики чотирьохопорного вигину зразків з тією лише відміною, що нижніми опорами для прикладання механічного навантаження були вольфрамові циліндричні електроди, з'єднані з джерелом струму. У роботі використовувався постійний та змінний електричний струм промислової частоти.

Пропускання електричного струму здійснювалось в стаціонарному режимі, при якому час пропускання струму співпадав з часом дії струму. Саме пропускання електричного струму без дії механічного напруження не приводило до змін в динамічній поведінці дислокацій.

Експериментальні результати щодо зміни рухливості дислокацій у зразках Si, що переміщувались під дією механічного навантаження у процесі одночасного протікання крізь них струму, були одержані в діапазоні механічних напружень = 11,0 - 111,0 МПа для густин струму j = 10⁴ - 10⁶ А/м² в інтервалі температур Т = 573 -1073 К.

Для визначення впливу домішкової атмосфери на характеристики руху дислокацій в умовах збудження поряд з вихідними зразками Si, використовувались також зразки кремнію з виведеними у стартові положення дислокаціями, які пройшли спеціальну високотемпературну обробку (ВТО) на повітрі при температурі 1300 К на протязі 3 годин (термооброблені зразки).

В роботі повідомляється про спостереження у збуджених струмом кристалах кремнію нового ефекту, названого електропластичним ефектом (ЕПЕ). Він полягає у появі цілого ряду особливостей динамічної поведінки дислокацій в кристалах кремнію, через які протікав електричний струм. Основні з них полягають у наступному. Вперше експериментально виявлено рух індивідуальних дислокацій під дією електричного струму та деформуючих напружень в області низьких температур (Т = 573 773 К), де дислокації традиційно вважались нерухомими при звичайних механічних навантаженнях та реально можливих часах спостереження.

Встановлено, що протікання електричного струму крізь зразки, що деформуються, в значній мірі впливає на параметри руху дислокацій, які визначають динамічну поведінку дислокацій в Si: збільшуються довжини пробігів дислокацій, зменшуються часи затримки початку руху дислокацій (рис.3). У збуджених кристалах спостерігається також зменшення ( в 3 рази) стартових напружень та енергії активації руху дислокацій. Вказані зміни характеристик рухливості дислокацій були виявлені в області температур деформування Т 973 К. При Т 973 К швидкості дислокацій у збуджених зразках зменшуються, а стартові напруження - зростають.

Виявлене фізичне явище, пов'язане зі зміною під дією електричного струму швидкості дислокацій, стартових характеристик та активаційних параметрів було умовно названо електропластичним ефектом (ЕПЕ). Величина і характер ЕПЕ не залежали від типу легуючої домішки (n- чи р-тип), а також від того, - постійний чи змінний струм пропускався крізь зразок кремнію.

В роботі була визначена залежність часів затримки початку руху дислокацій від механічних напружень, температури та густини струму. Виявилося, що експериментальні залежності часів затримки t_з від зовнішніх механічних напружень у зразках, крізь які протікав електричний струм, носять степеневий характер:

, (6)

де та m* деякі параметри апроксимації.

Встановлена в роботі залежність часу затримки від температури у збуджених струмом зразках має експоненційний характер:

, (7)

де V() - енергія активації мікроруху короткої дислокації в домішковій атмосфері. Виявилось також, що величина t_з лінійно залежить від густини струму. Об'єднуючи формули (6) і (7) та враховуючи лінійну залежність t_з від густини струму, можна записати наступний вираз:

, (8)

де j_o - параметр.

З графіків температурної залежності часів затримки, були обраховані активаційні параметри мікроруху коротких дислокацій в атмосфері.

Подані в таблиці 3 активаційні параметри, які характеризують рухливість коротких дислокацій в атмосфері вихідних, термооброблених та збуджених струмом кристалів кремнію, дозволяють стверджувати, що пропускання струму через кристалічний кремній призводить до того, що енергія утворення суперперегину у атмосфері V_о в області високих температур (823 973 К) зменшується на 0,75 - 0,95 еВ в порівнянні з вихідним кремнієм (незбудженим).

Подібно до вихідних зразків кремнію, у збуджених електричним струмом кристалах кремнію зберігається корельований характер руху дислокацій, при якому енергії активації руху дислокацій в атмосфері у відповідних температурних інтервалах досить добре корелюють із значеннями енергії активації руху дислокацій поза атмосферою (таблиця 4).

Порівняння значень активаційних енергій як в атмосфері, так і за межами атмосфери в збуджених струмом зразках кремнію (таблиця 4) вказує на істотне зниження активаційних енергій в області низьких температур. Отже, ЕПЕ суттєво залежить від температури випробувань.

Таблиця 3 - Активаційні параметри руху коротких дислокацій в атмосфері вихідних, термооброблених та збуджених кристалів кремнію

№ п/п	Тип зразків кремнію	j, 10-5 А/м2	Температурний інтервал
			T1 = 823 973 K	T2 = 673 773 K
			V0, еВ	, 1027 м3	V0, еВ	, 1027 м3
	Si вихідний	0	2,35	1,11	*	*
	Збуджений Si	1,0	1,60	0,90	*	*
	Збуджений Si	2,0	1,40	0,80	0,80	0,80
	Відпалений Si**	0	1,91	3,50	*	*
	Відпалений Si**	1,010,0	*	*	*	*

Примітка до табл.3: * - за вказаних умов рух дислокацій не зафіксовано; ** - температура відпалу 1300 К, час відпалу - 3 години.

Таблиця 4 - Значення енергії активації руху дислокацій в атмосфері та поза атмосферою у кристалах кремнію, крізь які протікає електричний струм густини j, для температурних областей T₁ = 823 - 973 K та T₂ = 673 - 823 K

№ зра-зка п/п	j, А/м2	, МПа	Рух в атмосфері V, еВ	Рух поза атмосферою Е, еВ	Рух в атмосфері V, еВ	Рух поза атмосферою Е, еВ
			T1=823973 K	T1=823973 K	T2=673823 K	T2=673823 K
	2105	63,5	1,30	1,20	0,75	0,72
	2105	34,4	1,42	1,22	0,80	0,75

Узагальнюючи одержані залежності швидкості руху дислокацій від механічного напруження та температури для збуджених електричним струмом зразків, можна записати

= _о (/_о)^m exp [- E^*/kT], (9)

E^* - енергія активації руху дислокацій у збуджених кристалах; m = H_o/kT, де Н_о - висота бар'єру міграції комплексу “дислокація-домішка”.

Встановлено, що у процесі пропускання електричного струму швидкість руху дислокацій залежить також від густини струму. Вказані залежності мають степеневий характер, тобто

= p (j / j_о)ⁿ, (10)

де p, j_о і n - параметри. Виявилося, що величина показника степеня у виразі (10) залежить від температури і змінюється в межах n = 1,6 - 2,1. n = /kT, де - характеристика зміни електростатичної взаємодії подвійних перегинів із точковими дефектами. Величина виявилася рівною ~0,10 еВ. Розраховані нами значення близькі до встановлених в літературі значень висоти електростатичного бар'єра навколо дислокації, що свідчить про електростатичну природу взаємодії подвійних перегинів із точковими дефектами в процесі протікання електричного струму через кристали Si.