WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 4 Акустоэмиссионное зондирование линейных дефектов в кремнии © А.А. Скворцов, А.М. Орлов, А.А. Соловьев Ульяновский государственный университет, 432700 Ульяновск, Россия (Поступила в Редакцию 14 июля 2000 г.

В окончательной редакции 5 октября 2000 г.) Исследована акустическая эмиссия донорного кремния. Показано, что звуковое излучение обусловлено электростимулированным движением краевых дислокаций. Обнаружена корреляция максимума спектра акустической эмиссии кремния и скорости движения линейных дефектов при варьировании плотности тока, текущего через дислокационный образец. Согласование теории с экспериментом позволило оценить численные значения коэффициентов диффузии атомов в дислокационной примесной атмосфере и эффективного заряда, приходящегося на один атом дислокационной линии при различных временах (0.3–3 h) изотермического отжига (1273 K) кремниевых образцов.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы Минвуза ”Деградационные процессы в многослойных тонкопленочных структурах” и гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 98-0203335.

С середины пятидесятых годов известно об акусти- пропускался электрический ток ( j < 5 · 105 A/m2).

ческой эмиссии (АЭ), т. е. излучении упругих волн, со- Корректировка температуры осуществлялась внешним провождающих перестройку внутренней структуры кон- резистивным нагревателем (T 430 K). Сигналы АЭ денсированных сред [1–3]. Физическим механизмом, U(t) фиксировались пьезоэлектрическим датчиком, леобъясняющим ряд особенностей АЭ дислокационных жащим на поверхности исследуемой пластины по мекристаллов, является движение дислокаций и их скопле- тодике [4]. Спектральный состав сигналов АЭ U() ний. Привлекательность АЭ в этом случае определяется выявлялся с помощью Фурье-анализа исходной осцилтем, что источником звука являются сами дислокации, лограммы U(t) [4,5].

благодаря чему задача обнаружения и локализации деРезультаты исследования показали существенное отфектов упрощается. Более того, сигналы АЭ в этом личие сигналов АЭ при переходе от бездислокационных случае несут информацию о кинетике и механизмах (кривая 1 на рис. 1) к дислокационным образцам кремния движения дефектов [1,3].

(кривая 2 на рис. 1). Причем увеличение средней Несмотря на это, работ, посвященных акустоэмиссии плотности дислокаций в образце Nd при неизменных паполупроводников, крайне мало. Кроме того, практически раметрах электроэкспозиции активизирует акустоэмисотсутствует сравнительный анализ движения дислокаций сионные процессы (ср. кривые 2–4 на рис. 1), что и спектрального состава акустического шума в полупро- наглядно свидетельствует о ”дислокационной природе” водниках. Не затронута также акустоэмиссия легирован- наблюдаемого отклика.

ного полупроводника после термических обработок. ПоДля описания характера движения дефектов рассмоэтому в данной работе предпринята попытка анализа АЭ трим поле излучения Vi, создаваемое системой движукремния и сопоставления ее с электростимулированной динамикой линейных дефектов при различных режимах термообработки дислокационных образцов кремния.

Объектами исследования служили пластины бездислокационного монокристаллического кремния n-типа (фосфор) и p-типа (бор) с удельным сопротивлением 0.01-0.05 · cm, ориентацией [111] и размером 15 5 0.4 mm по направлениям [112], [110] и [111] соответственно. Дислокации подобно [4] вводились путем выдержки пластин под нагрузкой, ориентированной вдоль оси [111]. Плотность дефектов не превышала Nd 1 · 107 cm-2. Изотермический отжиг дислокационных образцов в течение 0.3-3 h осуществлялся в Рис. 1. Спектры акустической эмиссии дислокационных резистивной печи при температуре 1273 K.

образцов донорного кремния при прохождении через них тока АЭ вызывалась электростимулированным движением плотностью 4.5 · 105 A/m2. 1 — бездислокационный образец;

краевых дислокаций без дополнительных механических плотность дислокаций (cm-2): 2 — 8 · 105, 3 — 2 · 106, нагрузок. Для этого через образец в направлении [112] 4 —5 · 106.

Акустоэмиссионное зондирование линейных дефектов в кремнии щихся дислокаций [6] Vi(r, t) ik(r, t) - = fi(r, t). (1) t xk Здесь вектор fi характеризует объемные силы движения элементов кристалла, ik — тензор напряжений, создаваемых системой движущихся дислокаций, — плотность кристалла. Поле излучения при движении дислокаций определяется выражением [6] ct (m) iks Vi(r, ) =- jksdr. (2) 2r c3 tm m=l,t Рис. 2. Распределение дислокационных пробегов (x) Здесь индекс m принимает значения l и t, соответствуюв n-кремнии ( = 0.015 · cm) при электроотжиге щие продольным и поперечным волнам, cm —скорость j = 3 · 105 A/m2. Средняя плотность дислокаций в образце соответствующих звуковых волн, величины (m) являiks 5 · 108 cm-2.

ются функциями волновых нормалей ni, nk, ns, jks — тензор плотности потока дислокаций. Из выражения (2) видно, что излучение системы дислокаций (акустическое поле) Vi(r, ) следует ожидать лишь при нестационарном их движении, когда вторая производная от тензора плотности потока дислокации jks отлична от нуля.

Это означает, что появление сигнала акустоэмиссии в процессе электростимулированной пластификации дислокационного кремния возможно только при движении дислокаций с переменной скоростью. В этом случае средняя скорость направленной миграции дефектов v будет связана с наиболее характерной частотой перехода дислокаций из одного устойчивого состояния в другое fmax следующим образом: Рис. 3. Зависимость скорости вытеснения дислокаций электрическим током v от максимума спектра акустической эмиссии v = afmax. (3) fmax при одинаковых параметрах электроэкспозиции образцов кремния n-типа (0.015 · cm).

Здесь a — величина одного скачка.

Для проверки соотношения (3) измерение спектров АЭ осуществлялось одновременно с контролем скорости ионного увлечения и электронного (дырочного) ветра, миграции дислокаций в электрическом поле методом позволяет связать величины j и fmax соотношением [5] повторного избирательного травления [5]. Анализ пробегов линейных дефектов, проведенный нами по 1 Ep2 fmax j = + ln(2 fmax) +3 fmax ln, (4) индивидуальным дислокациям, свидетельствует о пре1 kT имущественном движении краевых дислокаций в n-Si к где размерные константы положительному электроду, а в p-Si — к отрицательному. Результаты этих исследований для фиксированной eZeffNatb a 1 =, 2 =, плотности тока приведены на рис. 2. Увеличение j kT Vприводит к закономерному возрастанию скорости пеc0Lba Dd ремещения краевых дислокаций в кремнии и смеще3 =, 4 =.

2Dd(kT )2 arнию максимума спектра АЭ в более высокочастотную область. Результаты этих исследований приведены на Здесь Nat, Zeff — число атомов и эффективный заряд, рис. 3, с помощью которого по наклону v от fmax приходящиеся на единицу длины дислокации при налиопределена величина a = 0.13 nm, что соответству- чии примесной атмосферы, n, p, ln и lp — равновесные ет межплоскостному расстоянию для серии плоскостей концентрации и длины свободного пробега электронов и (111) кремния (0.134 nm). дырок, e — элементарный заряд; L — длина дислокации, Таким образом, проходящий через образец электри- Dd — коэффициент диффузии атомов в пределах дефектческий ток вытесняет дислокации даже при комнатных ной области примесной атмосферы, c0 — равновесная температурах, что непосредственно отражается на спек- концентрация примеси в бездефектной области кристалтрах АЭ. Учет электростимулированного влияния на ла, — размерная константа, b — вектор Бюргерса, направленный транспорт дислокации, состоящего из сил V0 — размерная константа скорости [5].

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 618 А.А. Скворцов, А.М. Орлов, А.А. Соловьев Основные параметры электропереноса в дислокационном (1 · 106 cm-2) легированном фосфором кремнии n-типа ( = 1.5 · 10-4 · m, c0 = 7 · 1024 m-3) Время отжига t, min r0, nm 1 · 107, m2/A 2 · 105, s 3, s 4, s-1 Zeff, 1/atom V0 · 105, m/s Dd · 1018, m2/s 20 5.8 3.5 0.723 4.23 1.75 0.012 1.8 1.70 7.2 3.3 1.070 6.53 1.11 0.011 1.2 1.115 8.9 3.1 1.357 8.35 0.86 0.011 0.96 1.175 9.9 1.7 1.305 8.32 0.85 0.006 0.96 1.Видно, что увеличение токовых нагрузок должно со- t — время термообработки. Поэтому изменение врепровождаться смещением максимума спектра АЭ по мени отжига с 20 до 175 min приводит к 50% увеоси частот. Кривая 1 на рис. 4 наглядно иллюстрирует личению r0 (см. таблицу). Это не может не отраэто на примере донорного кремния. При найденных зиться на подвижности дефектов в результате ”утязначениях i (см. таблицу) и барьера Пайерлса II рода желения” примесной атмосферы, что проявляется в (Ep2 0.5eV) [4] наблюдается хорошее согласование двукратном уменьшении величины эффективного заряэксперимента с уравнением (2). Это позволяет опреде- да, приходящегося на единицу длины дислокации при наличии примесной атмосферы (см. таблицу). Иллюлить величину эффективного заряда Zeff и коэффициента страцией рассматриваемых процессов является рис. 4, диффузии Dd.

где отражено изменение дислокационной кинетики на спектрах АЭ после изотермических отжигов. Так, наи fmax большие изменения = 10-6 (Hz · m2)/A и j t=0.5h fmax = 4 · 10-7 (Hz · m2)/A для различных времен j t=3h отжига отличаются более чем в 2 раза.

Таким образом, в настоящей работе исследована акустическая эмиссия при электростимулированном движении краевых дислокаций в кремнии, а также влияние на нее изотермических отжигов. Обнаружена четкая корреляция максимума спектра акустической эмиссии кремния и скорости движения линейных дефектов при варьировании плотности тока, протекающего через дислокациРис. 4. Токовая зависимость максимума спектров акустичеонный образец. Предполагаемый механизм перемещеской эмиссии при различных временах изотермического отжига ния дислокации связан с переходом дислокации (или образцов (Tan = 1273 K). t (min): 1 — 20, 2 — 70, 3 — 115, ее фрагмента) в соседнее метастабильное состояние с 4 — 175.

диффузионным увлечением атомов примеси к ее новому положению. Показано, что увеличение времени отжига дислокационных образцов полупроводника приводит к АЭ в полупроводнике, как это следует из (2), несет уменьшению подвижности линейных дефектов.

информацию о транспортных процессах с участием линейных дефектов. Поэтому изменение состояния объекта ядро дислокации–примесное облако должно приводить к Список литературы изменению динамики эмиссионных спектров. Для проверки этого нами проводился ряд экспериментов по сня- [1] В.А. Грешников, Ю.Б. Дробот. Акустическая эмиссия. Издво стандартов, М. (1976). 243 с.

тию токовых зависимостей fmax после изотермического [2] Т. Судзуки, Х. Есинага, С. Такеути. Динамика дислокаций и отжига.

пластичность. Мир, М. (1989). 296 с.

Результаты исследований показали, что увеличение [3] А.М. Косевич. Дислокации в теории упругости. Наук. думка, времени термической ”нагрузки” способствует изменеКиев (1978). 234 с.

нию токовой зависимости fmax и, следовательно, v. Дей[4] А.М. Орлов, А.А. Скворцов, В.А. Фролов. Письма в ЖТФ ствительно, при изотермическом отжиге дислокацион25, 3, 28 (1999).

ных образцов размер примесной атмосферы ra вокруг [5] А.А. Скворцов, А.М. Орлов, В.А. Фролов, А.А. Соловьев.

дислокации увеличивается в соответствии с уравнениФТТ 42, 11, 1998 (2000).

ем [7] [6] В.Д. Нацик, К.А. Чишко. ФТТ 14, 11, 3126 (1972).

[7] Ж. Фридель. Дислокации. Мир, М. (1967). 626 с.

DWb2t r0 = 8, (5) kT где D — коэффициент объемной диффузии атомов примеси, W — энергия связи, kT — тепловая энергия, Физика твердого тела, 2001, том 43, вып.




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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.