WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 11 Перераспределение дислокаций в кремнии вблизи концентраторов напряжений © А.М. Орлов, А.А. Соловьев, А.А. Скворцов, И.О. Явтушенко Ульяновский государственный университет, 432979 Ульяновск, Россия E-mail: OrlovAM@ulsu.ru (Поступила в Редакцию 16 декабря 2004 г.

В окончательной редакции 11 марта 2005 г.) Исследовано распределение дефектов в дислокационных дорожках при различных углах индентирования кремниевых пластин. Выявлены закономерности изменения линейной плотности и максимального пробега дислокаций в линиях скольжения. Предложена модель, описывающая распределение дефектов в дислокационных дорожках. Согласование теории с экспериментом позволило выявить зависимость этого распределения от времени релаксации энергии.

Изучение подвижности дислокаций в полупроводни- Перемещение дислокаций в поле вводимых внутренковых кристаллах в полях различной природы [1–9] них напряжений инициировалось изотермическим отявляется одной из основных задач физики твердого тела. жигом образцов при температуре 923 K в течение Обычно объектами исследований являются дислокации, t = 150 min. При таком t внутренние напряжения праквводимые в кристалл при нанесении ряда отпечатков тически полностью релаксировали, и транспорт дислоили царапин. В результате внешних воздействий пере- каций прекращался [9]. Исследование дислокационной мещение дислокаций происходит по плоскостям сколь- картины осуществлялось по ямкам травления после обжения, из-за чего часто наблюдается линейное распо- работки пластин в стандартном селективном травителе ложение ямок травления (в виде рядов, цепочек, до- СР-4 [3,9].

рожек) вдоль соответствующих кристаллографических направлений. При рассмотрении этого процесса в ли2. Результаты исследований тературе в основном анализируются как максимальные и их обсуждение расстояния, проходимые дефектами от концентратора напряжений [1,4–8], так и изменение их плотности с Известно [10], что в кремнии основные плоскости глубиной проникновения [9]. Несмотря на это практискольжения совпадают с направлением 110. Полученчески не исследованы причины распада дислокационных ные результаты исследований полностью согласуются дорожек в кристаллах и характер перераспределения лис этим. Однако расположение рядов фигур травления нейных дефектов между их локализованным и рассеяноднозначно определяется направлением индентирования ным состоянием. Практически отсутствует информация относительно кристаллографической оси [110]. Рассмото механизме дислокационного перераспределения при рим это подробнее.

изменении направления индентирования. Не рассмотрен При нанесении царапины (рис. 1, a) в направлеи характер распределения дислокаций в цепочках при нии [110] наблюдаются разбеги дислокаций по направих распространении вдоль соответствующих направле лениям [011] и [101]. С другой стороны, при индентироний. Предлагаемые далее результаты являются попыткой вании пластины в направлении [110], противоположном восполнить этот пробел.

[110], приоритетными становятся линии разбега [101] и [011]. Подобное распределение исследуемых дефектов 1. Методика эксперимента свидетельствует о специфике вводимых напряжений в виде микротрещин при нанесении царапины. Очевидно, Источником образцов ( 310.04 cm) для иссле- проекция на царапину вектора преимущественного расдований служили легированные фосфором стандартные пространения микротрещин всегда совпадает с направ76 mm бездислокационные пластины кремния с удель- лением нанесения концентратора напряжений. Поэтому ным сопротивлением = 0.01 · cm. Пластины гото- в проводимых исследованиях четко фиксировался угол вились по стандартной технологии из монокрасталли- (рис. 1, b) между направлением [110] и линией индентического слитка, выращенного по методу Чохральского рования поверхности кристалла, отсчитываемый против в направлении [111]. Источником дислокаций являлись часовой стрелки относительно базового направления.

5-10 mm царапины (концентраторы напряжений) на Точное определение контролировалось по фигурам рабочей поверхности (111), проводимые под нагрузкой травления, ориентация которых в силу кристаллограP =(0.78-2.45) N четырехгранной алмазной пирамид- фических особенностей одинакова по всей поверхности кой (индентором) с углом 90 при вершине. Царапины кристалла.

проводились под различными углами (0, 10, 20, 30 и 40) Eсли 0 < <15, направление перемещения дислоотносительно кристаллографического направления [110]. каций ничем не отличается от рассмотренного выше 1968 А.М. Орлов, А.А. Соловьев, А.А. Скворцов, И.О. Явтушенко Рис. 1. Основные направления перемещения дислокаций в исследуемом кристалле. a — направление индентирования совпадает с кристаллографическим направлением [110] (1) и [110] (2). b — направление царапания не совпадает с направлением [110];

царапина проведена под углом к направлению [110]. 1, 2 — дислокационные ямки травления; 3 — дефект упаковки; 4 —концентратор напряжений.

случая. Однако по мере приближения к 15 происхо- (рис. 2). Видно, что с увеличением угловой разориендит постепенная перегруппировка дислокационных ямок тации царапины относительно [110], глубина пробега травления от четко выделенных рядов удаляемого на- x() линейных дефектов вдоль дислокационных рядов правления [101] к отдельным хаотически разбросанным [011] возрастает (кривая 1 на рис. 2), а их удаление от царапины сокращается (кривая 2 на рис. 2).

дислокациям с правой стороны царапины.

При большeм угле разориентации 15 < <30 рас- Но наиболее неожиданный результат получен при сеянные дислокационные ямки травления вновь начина- анализе характера распределения линейных дефектов в дислокационных рядах соответствующих кристаллограют группироваться в ряды фигур травления с переориентацией в новое направление [110]. Однако при = 30 фических направлений. Установлено, что линейная плотность дислокаций в направлении миграции [011], по реостаются только два приоритетных направления [011] и зультатам многочисленных исследований, проявляет от[110] с углом разворота между ними 60.

четливую тенденцию к снижению (0 <30), постоПри последующем увеличении от 30 до 60 картиянству ( = 30) или ее увеличению (60 >30), на распределения дислокаций повторяется, но с переориентацией линий скольжения с левой стороны царапины:

исчезают ряды фигур травления в направлении [011], и появляются в [101]. Угол разворота между фиксируемы ми здесь рядами [101] и [110], как и в первом случае, соответствует 120. Общая картина перераспределения дислокаций по плоскостям скольжения представлена в табл. 1.

Таким образом, угол разворота между фиксируемыми рядами и их направление всегда определяется ближайшими разрешенными направлениями скольжения с обеих сторон нарушенного участка, а перераспределение дислокационных дорожек индентированных кристаллов на отдельные дислокации всегда усиливается по мере приближения к (15 ± n · 30), где n = 0, 1, 2, 3....

Поэтому (с учетом периодической повторяемости) будем рассматривать лишь дислокационный транспорт от Рис. 2. Зависимость перемещения головных дислокаций от царапин, угол разориентации которых не превышает края царапин (P = 1.0N), проведенных под различными углаотносительно любого из кристаллографическиx направми к направлению [110] после 150-ти минутного изотерлений 110.

мического отжига при температуре 923 K. 1 — измерение Как показали опыты, от зависит не только топопроведено вдоль дислоскационных рядов, совпадающих с награфическая картина распределения дислокаций, но и правлением [011]; 2 — в перепендикулярном к царапине характер их смещения вдоль соответствующих цепочек направлении.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Перераспределение дислокаций в кремнии вблизи концентраторов напряжений Таблица 1. Направления дислокационных разбегов от концентратора напряжений при различных углах разориентации Угол разориен- Кристаллографи№ Направление тации царапины ческая ориентация Примечание п/п индентирования относительно [110] дислокационных рядов = 0 [110] [011] и [101] = 180 [110] [101] и [011] 0 <15 [011] и [101] Постепенный переход к рассеянным дислокациям с правой стороны царапины.

180 <195 [101] и [011] Постепенный переход к рассеянным дислокациям с левой стороны царапины.

= 15 [011] Рассеянные дислокации с правой стороны царапины.

= 195 [011] Рассеянные дислокации с левой стороны царапины.

15 < 30 [110], [011] Постепенное перераспределение рассеянных дислокаций в ряды с правой стороны царапины.

195 < 210 [110], [011] Постепенное перераспределение рассеянных дислокаций в ряды с левой стороны царапины.

= 30 [011], [110] = 210 [110], [011] 30 < <45 [110], [011] Постепенный переход к рассеянным дислокациям с левой стороны царапины.

210 < <225 [110], [011] Постепенный переход к рассеянным дислокациям с правой стороны царапины.

= 45 [110] Рассеянные дислокации с левой стороны царапины.

= 225 [110] Рассеянные дислокации с правой стороны царапины.

45 < <60 [101], [110] Постепенное перераспределение рассеянных дислокаций в ряды с левой стороны царапины.

225 < <240 [110], [101] Постепенное перераспределение рассеянных дислокаций в ряды с правой стороны царапины.

= 60 [101], [110] = 240 [110], [101] 4 Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1970 А.М. Орлов, А.А. Соловьев, А.А. Скворцов, И.О. Явтушенко Особенно отчетливо это проявляется при больших, где наряду с основным экстремумом всегда фиксируется значительное число более мелких всплесков, искажающих общую картину распределения дислокаций (рис. 3). Методами оптической микроскопии установлено, что основной причиной возникновения „мелких всплесков“ являются области пересечения дислокационных дорожек различных кристаллографических направлений, участвующих в описанном выше перераспределении линейных дефектов. Убедительная воспроизводимость этих результатов исключает методическую ошибку и требует вскрытия физических причин наблюдаемых явлений.

Мы провели такой анализ, основываясь как на периодическом распределении микротрещин вдоль определенных кристаллографических направлений и их перераспределении при изменении азимутального расположения царапины, так и изменяющейся частоте зарождения дислокаций, вызванной релаксационными процессами.

Наш вывод будет базироваться на скорости перемещения дислокаций по плоскостям скольжения, определяемой в первую очередь величиной действующих напряжений int [6], появившихся в результате индентирования кристалла dx int m E V = = V0 exp -, (1) dt 0 kT где V0, 0 — постоянные; m = 1 — для кремния; E — энергия активации перемещения дислокаций; k — постоянная Больцмана; T — температура.

Действительно [11], при нанесении царапины образуется большое количество микротрещин (рис. 4) с линейной плотностью f (m-1), распространяющихся преимущественно вдоль „приоритетных“ плоскостей скольжения. В вершине каждой (i-й) микротрещины создается напряжение, ослабевающее с расстоянием x Рис. 3. Измерение линейной плотности дислокаций в линии скольжения [011] с расстоянием при различных : a — 0;

b —30; c —40. На экспериментальные точки наложены расчетные кривые (уравнение (8)). Нагрузка на пирамидку при нанесении царапин составляет 0.98 N.

плавно переходя из одного состояния в другое по мере увеличения. При этом независимо от азимутального расположения царапины () в дислокационных цепочках практически всегда наблюдается одно или Рис. 4. Распределение напряжений от микротрещин (3, 2, несколько скоплений ямок травления, отражающихся в 1, 0, 1, 2, 3), вводимых в кристалл при индентировании поэкстремальных всклесках линейной плотности дефектов. верхности, на выделенную линию скольжения дислокаций.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Перераспределение дислокаций в кремнии вблизи концентраторов напряжений оказывает непосредственное влияние на глубину проникновения дислокаций в кристалл вдоль выбранного направления скольжения.

Рассматриваемые напряжения не являются постоянными и при высокотемпературном отжиге быстро релаксируют, способствуя зарождению и транспорту дислокаций. Учитывая это, как и в [13], можем записать t t int(x, t) =eff(x) 1 exp - + 2 exp -, (4) 1 где 1 и 2 — характерные времена релаксации образования и перемещения дислокаций соответственно; 1, 2 — безразмерные коэффициенты, причем 1 + 2 = 1. При этом в генерации дислокаций, формирующих дорожку, доминирует энергия одной микротрещины, а в перемеРис. 5. Изменение расстояний, проходимых головными дислощении — энергия коллектива микротрещин.

кациями в линиях скольжения от концентратора напряжений При фиксированном t выражение (4) описывает релакс временем отжига. Точки — экспериментальные данные, сирующее напряжение, действующее лишь на головную линии — результаты расчета по (8). 1 — = 40; 2 —30;

дислокацию в цепочке скольжения. Для описания всех 3 —0.

последующих дефектов необходимо ввести соответствующую поправку, учитывающую частоту зарождения дислокаций, связанную с int простым соотношением по закону [9,12] (t) =dn/dt = · int(t, x0), (5) bGNd a где n — число образовавшихся дислокаций, — размерi(x) =- ln 1 -, (2) 2(1 - ) x ная функция, x0 — координата источника дислокаций.

Таким образом, с учетом (4) получаем где i — напряжение в точке нахождения дислокации, G = 1.5 · 1011 Pa — модуль сдвига, = 0.3 — коэффиdn t t = 0 1 exp - + 2 exp -. (6) циент Пуассона, b — модуль вектора Бюргерса, Nd — dt 1 линейная плотность дислокаций в области a около микротрещины. Здесь 0 — частота зарождения дислокаций при t = 0.

Поле упругих напряжений, созданное коллективом Решение этого уравнения позволяет определить как микротрещин с линейной плотностью f, при высокотем- время появления t = ti любой дислокации i = 1, 2, 3..., пературном отжиге релаксирует, расходуя свою энергию так и общее число генерируемых дислокаций n в процескак на образование дислокаций, так и на их перемещение се отжига t вдоль благоприятно расположенных плоскостей скольni = 0 (11 + 22) жения.

Pages:     || 2 |



© 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.