WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |

В составе развиваемых в диссертации модельных представлений выделим следующие положения. Во-первых, механизм удаления матричного атома под влиянием внешнего воздействия не должен сопровождаться образованием промежуточных твердых фаз с последующим их растворением. В противном случае речь идет об уже рассмотренной в предыдущем разделе диссертации ситуации. Такой механизм удаления атомов в работе назван механизмом прямого удаления. Для образования Vs необходимо, чтобы прямое удаление атома происходило по нормальному механизму из атомарно плоской террасы вицинальной грани кристалла, а не по тангенциальному механизму, например из излома поверхностной атомарной ступени, когда атомарная конфигурация поверхности самовоспроизводится и Vs не образуется (Рис.10).

Во-вторых, для перехода Vs в объем кристалла (Vs V переход), т.е. для генерации V по рассматриваемому механизму, необходимо, чтобы время жизни

Рис.10 Тангенциальный механизма удаления поверхностного матричного атома (1), рождение Vs при нормальном механизме удаления атома (2), исчезновение Vs при ее переходе в объем кристалла (3), стоке на атомарную ступень вицинальной грани (4) или при взаимодействии (5) с другой Vs.

Vs вакансии на поверхности идеализированного кристалла было достаточно для такого перехода. Помимо перехода Vs V, значение Vs определяется также стоком Vs на изломы поверхностных ступеней и возможным их исчезновением при послойном удалении материала под влиянием внешнего воздействия. В связи с этим развиваемая модель предусматривает ограничения на микро- и макроскопическую скорость удаления моноатомных слоев, а также допустимую кристаллографическую разориентацию поверхности относительно атомарно гладких (сингулярных) поверхностей на угол.

Получены количественные оценки вероятности Р для перехода VsV, а также оценки потока JV неравновесных V с поверхности в объем кристалла как функции угла кристаллографической разориентации.

Вероятность P перехода VsV характеризует кинетическую открытость процесса генерации неравновесных V. Полученное в работе для нее выражение имеет вид

P=1 (1 ts/tv )s/ts,

где ts, tv – периоды диффузионных скачков вакансии, соответственно на поверхности и в объеме, а s – характерное время диффузионного блуждания Vs вдоль поверхности. В этом выражении (1 – ts/tv ) - вероятность того, что Vs не «провалится» в объем в одном из посещаемых ею поверхностных узлов решетки.

Рис.11 Траектория движения поверхностной вакансии VS. Штриховая линия - потенциальная траектория движения VS без учета возможно­сти их инжекции в объем кристалла

Величина (1– ts /tv ) s/t - вероятность того, что перехода Vs V не произойдет ни в одном из s/ts поверхностных уз­лов кристаллической решетки. Величина Р - искомая вероятность того, что V перейдет в объем кристалла хотя бы в одной из s/ts потенциально посещаемых ею поверхностных ячеек (Рис.11). В силу того, что энергия активации миграции вакансии на поверхности всегда меньше соответствующей энергии в объеме кристалла, значение = ts/tv много меньше единицы и, как правило, лежит в пределах 10-4 < < 10-2. С учетом малости величины и зависимости s от угла разориентации поверхности кристалла относительно сингулярной грани, выражение для Р представлено в виде

Р=1-ехр(-/3tg2),

где 1/3tg2 = ms – число потенциально возможных элементарных диффузионных скачков Vs до ее стока на атомарную ступень.

Элементарный инжекционный поток dJV неравновесных V c площадки dS=1·dl, удаленной от атомарной ступени на расстояние l, выражен через Р(l) как

dJv=gn·Р/(1+Р)dS,

где gn - скорость удаления атомов по норамальному механизму. После интегрирования полученного выражения по площади атомарно гладкой террасы среднестатистической длины Lтер, а также с учетом того, что на единице площади имеется n=a-1tg таких террас, получено приближенное выражение для потока V в объем решетки как функции угла разориентации вицинальной грани

Jv gna-1tg (12)-1/2 ·{(3)1/2(a)-1tg (/2)1/2·erf[(3)1/2(a)-1tg]},

где erf(y)=(2/)0уexp(-x2/2)dx – функция ошибок. Показано, что при увеличении разориентации вицинальной грани, например c 0,5о до 4о, вероятность перехода Vs V уменьшается при =10-3 примерно в 15 раз, а поток вакансий в объем кристалла уменьшается примерно на порядок.

Представленные в данной главе результаты теоретических рассмотрений генерации V в неравновесных условиях носят достаточно общий характер и не привязаны к какому-либо конкретному воздействию, способному приводить к удалению поверхностных атомов кристалла. В тоже время, они достаточны, чтобы перейти к рассмотрению конкретных внешний воздействий данного класса, например, к химическому травлению кристалла и стимулированной сублимации матричных атомов.

Шестая глава«Образование вакансий при стимулированном удалении поверхностных атомов путем прямого химического травления кристалла». Глава посвящена исследованию генерации неравновесных V при прямом химическом травлении как частном случае рассматриваемого класса физико-химических воздействий, приводящих к удалению матричных атомов кристалла.

Показано, что высокотемпературное газовое травление кристалла удовлетворяет основополагающим требованиям, предъявляемым к исследуемому классу внешних воздействий. Сформулировано дополнительное частное требование к кристаллу при этом виде воздействия. Оно накладывает еще одно ограничение на допустимую разориентацию поверхности кристалла относительно сингулярной грани. Это ограничение обусловлено необходимостью лимитировать сток на изломы атомарных ступеней адсорбированных атомов травителя. Ширина атомарно гладкой террасы сравнивается с диффузионной длиной пробега адсорбированного атома Lадс (Рис.12), которая определяется разностью энергии активации десорбции Едес и поверхностной миграции Еm атома травителя.

Рис.12 Центральная зона атомарно гладкой террасы вицинальной грани кристалла (заштрихована), разориентированной на угол ’, из которой адсорбированные атомы травителя не могут достигать изломов атомарных ступеней.

Полученное выражение для критического угла кристаллографической разориентации поверхности относительно сингулярной грани ’ в этом случае имеет вид

= (1/2) ехр [-(Eдec-Em)/(2kТ)].

Представлены результаты экспериментов автора, подтверждающие факт генерации неравновесных V в кристаллах Si при их высокотемпературном (1100-1150оС) химическом травлении в газовой смеси водорода с хлорсодержащими добавками. Методами DLTS исследованы следы вакансионного пресыщения кристалла в виде спектра комплексов ТД в n и p экспериментальных образцах Si, подвергнутых высокотемпературному травлению. Контрольные образцы прошли аналогичную термообработку, но не приводящую к удалению матричных атомов, а также низкотемпературное полирующее травление. Представленные в работе данные, указываюют на повышенное в 5-6 раз интегральное количество вакансий в составе комплексов в экспериментальных образцах в сравнении с контрольными.

Седьмая глава «Генерация неравновесных вакансий при фотостимулированной сублимации поверхностных атомов» посвящена экспериментальному исследованию генерации V при фотостимулированной сублимации, представляющей еще один частный случай рассматриваемого класса физико-химических воздействий, но принципиально отличающийся от химического травления по физике удаления матричных атомов. Проведен анализ фотостимулированной сублимации с точки зрения выполнения общих требований и условий, предъявляемых к исследуемому классу воздействий. Показано, что под влиянием света ксеноновой лампы вероятность рождения Vs должна возрастать примерно в 103 раз. Представлены результаты экспериментальных исследований автора, подтверждающие факт генерации неравновесных V и в этом случае. Выполнена численная оценка фактически достигнутых пересыщений решетки Si по V.

В качестве индикатора на введение в кристалл неравновесных V выбрана диффузия атомов сурьмы (Sb) и бора (В) в Si. Такой индикатор реагирует на состояние подсистемы ТД кристалла непосредственно в процессе внешнего воздействия на кристалл, и поэтому позволяет судить о состоянии подсистемы собственных ТД in situ, а не по остаточным признакам, как это было в случае с газовым травлением. В роли экспериментальных и контрольных образцов использованы эпитаксиальные структуры, полученные методом молекулярной эпитаксии при температуре не выше 650оС на сильно легированной (1019 см-3) атомами Sb или В подложке Si. С учетом большого количества возможных артефактов при изучении диффузии примесей при фотонном облучении кристалла отличие между экспериментальными и контрольными структурами состояло лишь в точности кристаллографической ориентации поверхности этих структур. Поверхность экспериментальных структур была разориентирована относительно сингулярной грани кремния (111) на 0о20’, а контрольных структур – на 3о30’. Оба типа структур при Т=950оС были подвергнуты внешнему воздействию мощной ксеноновой лампы, обеспечивающей фотостимулированную сублимацию поверхностных атомов Si, которые оседали во время эксперимента на стенках кварцевого реактора, что подтверждало факт сублимации.

Методами вторичной ионой масс-спектроскопии показано, что диффузионное перераспределение примесных атомов в экспериментальных - точно ориентированных структурах, существенно выше, чем в контрольных, где введение неравновесных V, согласно развиваемой в диссертации теории, должно быть затруднено (Рис13).

СSb, (см-3)

Рис.13 Диффузионное перераспре-деление концентрации Sb СSb(см-3) на границе раздела подложки и эпитаксиальной структуры под действием фотостимулированной сублимации матричных атомов в зависимости от разориентации поверхности эпитаксиальных структур относительно (100): а) 3о30’, б) 0о20’.

Показано, что коэффициент диффузии Sb в экспериментальных структурах возрастал в 20, а В примерно в 3 раза. С учетом того, что Sb, как принято считать, на 100%, а В лишь на 20% диффундирует в Si по вакансионному механизму, оба результата означают, что достигнутое пересыщение решетки по V составляло =СV/СоV 20 раз.

Таким образом, генерация неравновесных вакансий экспериментально продемонстрирована на примере второго частного случая внешнего воздействия, приводящего к прямому удалению матричных атомов с поверхности кристалла. Подтверждено, что теоретически выдвинутое требование к точности кристаллографической ориентации поверхности кристалла с точки зрения генерации вакансий является существенным фактором. Совокупность экспериментальных данных о генерации неравновесных вакансий в Si при двух физически различных внешних воздействиях (травление и сублимация) подтверждает адекватность и общность развитых в данном разделе диссертации теоретических представлений.

Восьмая глава «Особенности эволюции кластеров собственных дефектов в неравновесном двухкомпонентном растворе вакансий и междоузельных атомов». Глава посвящена исследованию процесса, сопутствующего введению в решетку неравновесных V: эволюции кластеров собственных ТД в кристаллах Si. Представлено развитие кинетической теории роста и распада кластеров собственных ТД на случай взаимодействия кластеров с двухкомпонентным твердым раствором V и I, а также на случай резко выраженных неизотермических процессов. Кластеры определены как достаточно большие взаимосвязанные агломераты вакансионного или внедренного типа, изменение числа частиц в которых на одну или несколько не приводит к резкому (т.е. качественному) изменению их свойств. Данное определение четко разграничивает понятие кластер, комплекс и примесный преципитат. Предполагается, что массовый баланс во времени на поверхности S кластера обеспечивают три процесса: тепловая эмиссия (G) частиц из кластера, и диффузионно-лимитируемая конденсация (RV и RI) на их активной поверхности V и I:

dm/dt = [-G ±(RV RI)]S, m(0)=m0,

где знак ± определяется внедренной или вакансионной природой кластера. Построены кинетические уравнения диффузионно-лимитированного роста (распада) кластеров в вакансионно-междоузельном твердом растворе в изотермическом процессе, а также уравнения их эмиссионного распада при надкритических скоростях нагрева. Показано, что в двухкомпонентном растворе V и I кинетическое уравнение для радиуса кластера r в канонической форме удобно записать через пару С**V и С**I кинетически равновесных концентраций двухкомпонентного раствора в виде

Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»