CC BY
30
УДК 539.89+538.913
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-805-808
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СРЕДНИХ КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, СООТВЕТСТВУЮЩИХ ФАЗОВЫМ ПРЕВРАЩЕНИЯМ Si-I - Si-II - Si-XII/Si-III
ПОД ИНДЕНТОРОМ
© А.А. Дмитриевский1*, Н.Ю. Ефремова1*, Д.Г. Гусева1*, А.В. Шуклинов2)
1) Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация,
e-mail: aadmitr@yandex.ru
2) НИИ «Нанотехнологии и наноматериалы» ТГУ им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация,
e-mail: tambovbest@yahoo.com
Проведена оценка средних контактных напряжений, при достижении которых происходят фазовые превращения Si-I ^ Si-II и Si-II ^ Si-XII/Si-III. Анализируемые данные получены методом in situ регистрации фазовых превращений кремния Si-I ^ Si-II ^ Si-XII/Si-III в процессе индентирования. Метод основан на синхронной регистрации P-h-диаграммы и электрического сопротивления при внедрении индентора в узкий (d ~ 2 мкм) зазор между проводящими пленками, нанесенными на поверхность Si. Показано, что фазовые превращения Si-I ^ Si-II происходят при средних контактных напряжениях a1 = 8,5 ГПа, а Si-II ^ Si-XII/Si-III - при а2 = 6 ГПа. Ключевые слова: кремний; наноиндентирование; фазовые превращения; металлизированная фаза.
Несмотря на значительные успехи и многообещающие перспективы освоения некремниевой микроэлектроники, кремний еще многие годы будет оставаться материалом № 1 для полупроводниковой техники [1-2]. При сосредоточенных нагрузках в локальных областях материала могут развиваться давления, достаточные для фазовых превращений (ФП). При этом физические свойства материала в этой области кардинально изменяются. Вообще, на сегодняшний день известны 13 различных фаз кремния, формируемых в процессе повышения давления, его последующего понижения и отжига при нормальном давлении. Однако наибольший интерес представляют ФП Si-I ^ Si-II, протекающие при сравнительно малых давлениях (достигаемых при индентировании) и вызывающие переход в проводящее состояние [2-5]. Необходимо отметить наличие частых несоответствий (а зачастую и противоречий) в литературных данных, касающихся условий протекания ФП. Ситуация усугубляется необходимостью учета возможного влияния внешних физических полей (тепловых, радиационных, электромагнитных и пр.) на состояние структурных дефектов кристаллов и процесс ФП кремния при сосредоточенных нагрузках [6-8]. В связи с этим работа была направлена на экспериментальное определение средних контактных напряжений (под индентором), при которых наблюдаются фазовые превращения алмазоподобной кристаллической решетки кремния в металлизированную Р-Ип структуру и сравнение полученных данных с литературными.
Принципиальная схема измерительной ячейки, предложенная в 1972 г. И.В. Гридневой, Ю.В. Мильма-ном и В.И. Трефиловым [3], представлена на рис. 1а. Авторы [3] регистрировали сопротивление образца до индентирования, на стадии максимального внедрения индентора и после его извлечения. Анализируя разницу
сопротивлений на разных стадиях индентирования, они получали информацию о содержании фазы Si-П под индентором (на стадии максимального внедрения).
Рис. 1. Схематичное изображение среза измерительной ячейки с внедренным индентором (а), а также СЭМ-изображение (Ь) и карта распределения золота (с) в области отпечатка индентора, сформированного в зазоре между золотыми пленками
Современное оборудование позволяет комбинировать мониторинг электрического сопротивления образца с регистрацией P-h-диаграмм (в процессе динамического наноиндентирования) с высоким пространственным и временным разрешением. Для этого в настоящей работе образцы готовили следующим образом. На поверхность (111) монокристаллического кремния (КЭФ-10) термическим напылением в вакууме (~ 10-3 na) наносили слой золота толщиной l ~ 150 нм. Затем в пленке «прорезали» сквозной зазор шириной d ~ 2 мкм. Формирование зазора в пленке, визуализацию отпечатков индентора и элементное картирование осуществляли с использованием высокоразрешающего двухлуче-вого электронно-микроскопического комплекса Neon40 (фирма Carl Zeiss). К сформированным таким образом контактам подключали стабилизированный источник питания, и с помощью цифрового измерителя тока и напряжения производили мониторинг сопротивления R непосредственно в процессе индентирования (регистрации P-h-диаграммы). Индентирование пирамидой Берковича (рис. 1b) осуществляли с использованием ультрамикротвердомера DUH-W201 (фирма Shimadzu).
Показано, что до определенного этапа внедрения индентора (h < 0,5 мкм) сопротивление образца остается неизменным. Отметим, что уже при h = 0,3 мкм поперечные размеры отпечатка оказываются больше ширины зазора d. Затем (при h > 0,5 мкм) сопротивление падает с выходом в насыщение при достижении максимальной глубины внедрения индентора (рис. 2). На стадии разгрузки сопротивление сначала сохраняет пониженное значение, а затем начинает увеличиваться и достигает исходной величины еще до полного извлечения индентора. Отметим, что наблюдаемые изменения сопротивления образцов не связаны с замыканием золотых пленок частицами золота, оторвавшимися в процессе индентирования. Подтверждением этому служат данные элементного картирования, выполненного в области одного из отпечатков индентора (рис. 1c). Таким образом, наблюдаемое изменение R/R0 следует связывать с формированием (на определенной стадии индентирования) металлизированной фазы Si-II и «замыканием» ею золотых контактов.
Рис. 2. Зависимости относительного изменения сопротивления Я/Я0 (белые кружки) и средних контактных напряжений а (черные точки) от глубины внедрения индентора к. Пунктиром отмечено значение к, при котором индентор начинает заминать золотые пленки
Регистрируемая в процессе наноиндентирования P-h-диаграмма с учетом известной геометрии индентора позволяет перестроить полученные данные в зависимость средних контактных напряжений от глубины внедрения индентора a(h) (рис. 2). Благодаря высокой чувствительности электрических свойств Si к наличию металлизированной фазы, комплексный анализ зависимостей RJR0(h) и a(h) позволяет точно определять численные значения средних контактных напряжений, при достижении которых запускаются процессы ФП Si-I ^ Si-II и Si-II ^ Si-XII/Si-III. Так, установлено, что металлизированная фаза Si-II образуется под индентором при средних контактных напряжениях a = 9 ГПа. При извлечении индентора процесс ФП Si-II ^ Si-XII/Si-III наиболее активно протекает при a = 6 ГПа. Полученные результаты несколько отличаются от данных [9], но демонстрируют хорошее согласие с данными, представленными в [10].
Таким образом, комбинирование методов наноин-дентирования и регистрации относительного изменения электрического сопротивления при внедрении ин-дентора позволило уточнить информацию о численных значениях средних контактных напряжений, при достижении которых наблюдаются ФП Si-I ^ Si-II и Si-II ^ Si-XII/Si-III. Полученная информация, по крайней мере частично, снимает имеющиеся противоречия в литературных данных.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Springer Handbook of Nanotechnology / ed. Bharat Bhushan. Springer, 2010. 1950 p.
2. Domnich V., Gogotsi Y. Phase transformations in silicon under contact loading // Rev. Adv. Mater. Sci. 2002. № 3. P. 1-36.
3. Gridneva I. V., Milman Y. V., Trefilov V.I. Phase transition in diamond-structure crystals during hardness measurements // Phys. Status Solidi. 1972. № 14. P. 177-182.
4. Дмитриевский А.А. Влияние бета-облучения на фазовые превращения кремния Si-I ^ Si-II под индентором // ПЖТФ. 2014. Т. 40. № 2. С. 61-67.
5. Дмитриевский А.А., Гусева Д.Г., Ефремова Н.Ю. Регистрация in situ фазовых превращений Si-I - Si-II при наноиндентировании // Деформация и разрушение материалов. 2016. № 2. С. 31-34.
6. Дмитриевский А.А., Ефремова Н.Ю., Головин Ю.И., Шукли-нов А.В. Фазовые превращения под индентором в кремнии, облученном низкоинтенсивным потоком бета-частиц // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2010. № 3. С. 62-65.
7. Golovin Yu.I., Morgunov R.B., Ivanov V.E., Dmitrievskii A.A. Softening of ionic crystals as a result of a change in the spin states of structural defects under paramagnetic resonance conditions // Journal of Experimental and Theoretical Physics. 2000. Т. 90. № 6. С. 939-949.
8. Косырев П.А., Дмитриевский А.А., Ефремова Н.Ю., Шуклинов А.В. Влияние отжига на фазовый состав кремния внутри отпечатка индентора // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2011. Т. 16. Вып. 1. С. 147-148.
9. Shchennikov V. V., Shchennikov V. V., Streltsova S. V., Korobeyniko-va I. V., Morozova N. V. Thermopower of phases and states of Si under high pressure // Proc. of SPIE. 2013. V. 8612. P. 86120.
10. Jian Sh.-R., Chen G.-J., Juang J.-Y. Nanoindentation-induced phase transformation in (1 1 0)-oriented Si single-crystals // Current Opinion in Solid State and Materials Science. 2010. V. 14. P. 69-74.
БЛАГОДАРНОСТИ: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-02-04797 а.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539.89+538.913
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-805-808
EXPERIMENTAL ASSESSMENT OF THE AVERAGE CONTACT PRESSURE CORRESPONDING TO PHASE TRANSFORMATIONS OF Si-I - Si-II - Si-XII/Si-III
UNDERINDENTER
© A.A. Dmitrievskiy1*, N.Y. Efremova1*, D.G. Guseva1*, A.V. Shuklinov2)
^ Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, e-mail: aadmitr@yandex.ru 2) Scientific Research Institute "Nanotechnologies and nanomaterials" TSU named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, e-mail: tambovbest@yahoo.com
The assessment of average contact pressure at which achievement there are phase transformations of Si-I ^ Si-II and Si-II ^ Si-XII/Si-III is carried out. The analyzed data are obtained by in situ method of registration of Si-I ^ Si-II ^ Si-XII/Si-III phase transformations in the course of indentation. The method is based on synchronous registration of the P-h-diagram and electric resistance at penetration of indenter in narrow (d = 2 ^m) gap between the carrying-out films applied on Si surface. It is shown that phase transformations of Si-I ^ Si-II happen at average contact pressure aj = 8.5 GPa, and Si-II ^ Si-XII/Si-III - at a2 = 6 GPa. Key words: silicon; nanoindentation; phase transformations; metallized phase.
REFERENCES
1. Bharat Bhushan (ed.) Springer Handbook of Nanotechnology. Springer, 2010. 1950 p.
2. Domnich V., Gogotsi Y. Phase transformations in silicon under contact loading. Rev. Adv. Mater. Sci, 2002, no. 3, pp. 1-36.
3. Gridneva I.V., Milman Y.V., Trefilov V.I. Phase transition in diamond-structure crystals during hardness measurements. Phys. Status Solidi, 1972, no. 14, pp. 177-182.
4. Dmitrievskiy A.A. Vliyanie beta-oblucheniya na fazovye prevrashcheniya kremniya Si-I ^ Si-II pod indentorom. Pis'ma v Zhurnal tehnicheskoj fiziki - JETP Letters, 2014, vol. 40, no. 2, pp. 61-67.
5. Dmitrievskiy A.A., Guseva D.G., Efremova N.Yu. Registratsiya in situ fazovykh prevrashcheniy Si-I - Si-II pri nanoindentirovanii. Deformatsiya i razrushenie materialov — Russian metallurgy (Metally), 2016, no. 2, pp. 31-34.
6. Dmitrievskiy A.A., Efremova N.Yu., Golovin Yu.I., Shuklinov A.V. Fazovye prevrashcheniya pod indentorom v kremnii, obluchennom nizkointensivnym potokom beta-chastits. Poverkhnost'. Rentgenovskie, sinkhrotronnye i neytronnye issledovaniya — Journal of Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2010, no. 3, pp. 62-65.
7. Golovin Yu.I., Morgunov R.B., Ivanov V.E., Dmitrievskii A.A. Softening of ionic crystals as a result of a change in the spin states of structural defects under paramagnetic resonance conditions. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2000, vol. 90, no. 6, pp. 939-949.
8. Kosyrev P.A., Dmitrievskiy A.A., Efremova N.Yu., Shuklinov A.V. Vliyanie otzhiga na fazovyy sostav kremniya vnutri otpechatka indentora. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences. Tambov, 2011, vol. 16, no. 1, pp. 147-148.
9. Shchennikov V.V., Shchennikov V.V., Streltsova S.V., Korobeynikova I.V., Morozova N.V. Thermopower of phases and states of Si under high pressure. Proc. of SPIE, 2013, vol. 8612, p. 86120.
10. Jian Sh.-R., Chen G.-J., Juang J.-Y. Nanoindentation-induced phase transformation in (1 1 0)-oriented Si single-crystals. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2010, vol. 14, pp. 69-74.
GRATITUDE: The research is carried out under financial support of Russian Fund of Fundamental Research within a framework of scientific project no. 15-02-04797a.
Received 10 April 2016
Дмитриевский Александр Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, доцент, зав. кафедрой теоретической и экспериментальной физики, e-mail: aadmitr@yandex.ru
Dmitrievskiy Aleksander Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Associate Professor, Head of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: aadmitr@yandex.ru
Ефремова Надежда Юрьевна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: imfi@tsutmb.ru
Efremova Nadezhda Yurevna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: imfi@tsutmb.ru
Гусева Дарья Геннадиевна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, кафедра теоретической и экспериментальной физики, e-mail: dashadansec@mail.ru
Guseva Darya Gennadievna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Postgraduate Student, Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: dashadansec@mail.ru
Шуклинов Алексей Васильевич, Научно-исследовательский институт «Нанотехнологии и наноматериалы» ТГУ им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, ведущий специалист, e-mail: tambovbest@yahoo.com
Shuklinov Aleksey Vasilevich, Scientific Research Institute "Nanotechnologies and nanomaterials" TSU named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Leading Specialist, e-mail: tambovb-est@yahoo.com
