CC BY
45
УДК 539.214:548.4
ГЕНЕРАЦИЯ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ ПРИ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКЕ КРЕМНИЯ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ДИНАМИКУ ДИСЛОКАЦИЙ И КИНКОВ
© IO.JI. Hyimii, M.B. EaiibiJieBifHr
lunin Yu.L. and Badylcvich M.V. Generation of poinl defects under cavitation treatment of silicon and their effect on dislocation and kink dynamics. Kinetics of point defects formation in FZ-Si under cavitation treatment has been studied using selective chemical etching and DLTS techniques. Variations of dislocation mobility and kink dynamics with cavitation treatment duration arc investigated using intermittent loading technique.
Хорошо известно, что в кристаллах, характеризующихся глубоким потенциальным рельефом Пайерлса, движение дислокаций определяется процессами генерации, движения и аннигиляции кинков [I]. Показано, что эти процессы в значительной степени зависят от состояния окружающей дислокацию атмосферы точечных дефектов [2-4]. Теорией предсказан целый ряд механизмов воздействия точечных дефектов на динамику дислокационных кинков [5-7]. Однако вопрос, как влияют те или иные точечные дефекты на динамику дислокаций, остается в значительной степени открытым.
Генерация неравновесных собственных точечных дефектов представляет одну из возможностей направленного изменения состояния дислокационной атмосферы и выявления их влияния на динамику дислокаций. В данной работе для формирования точечных дефектов использовалась кавитационная обработка (КО) монокристаллов кремния с введенными дислокациями в дистиллированной воде. Динамика формирования кластеров точечных дефектов в приповерхностном слое кристалла исследовалась методом избирательного химического травления. Методом ОЬТ8 изучена кинетика изменения концентрации дефектов, создающих глубокие уровни в запрещенной зоне кремния, при длительной кавитационной обработке. Изучено влияние длительности кавитационной обработки на динамику дислокаций и кинков в образцах кремния.
МЕТОДИКА
Бездислокацнонные слитки выращены методом бестигельной зонной плавки, легированы фосфором до удельного сопротивления р = 150 Ом-см. Образцы вырезались в форме прямоугольных призм с ориентацией ребер [1 10], [112], [111] и размерами 35x4x1,5 мм, механически и химически полировались.
Индивидуальные дислокационные полупетли вводились от уколов алмазной пирамидкой обеих широких граней (111) образца при комнатной температуре с последующим нагружением четырехопориым изгибом вокруг оси [112] при температуре 873 К. Дислокации вводились как на стороне сжимающих, так и растягивающих напряжений. Введенные дислокации «разгонялись» до диаметра ~ 1000 мкм приведенным сдвиго-
вым напряжением 30 МПа. В указанной геометрии дислокационные полупетли зарождаются и скользят в зеркально симметричных плоскостях (1 1 1) и ( 1 11). Сегменты, выходящие на поверхность (111) по одну сторону от уколов, могут иметь только шестидесятиградусную ориентацию (заведомо шестидесятиградусная сторона) - 1 и 3 на рис. 1, а по другую - как шестидесятиградусную, так и винтовую ориентацию (смешанная сторона) - 2 и 4 на рис. I [8]. Таким образом, в каждой из плоскостей скольжения (11 1) и (1 11) реализуются по две системы скольжения с разными векторами Бюргерса, что даст по 8 типов дислокационных сегментов, выходящих на каждую из двух (сторона сжимающих и растягивающих напряжений) поверхностей наблюдения (111).
Для достижения воспроизводимости результатов необходимо в каждом эксперименте иметь идентичные условия состояния дислокационной атмосферы. С этой целью перед каждым измерением дислокации выводились в стартовое положение в течение 10-15 минут действием касательных напряжений а = 30 МПа при температуре Т = 873 К.
Для формирования неравновесных точечных дефектов образец кремния помещался в зону кавитации, возбуждаемую в жидкости (дистиллированная вода) звуковым генератором (0,5 кВт, 14 кГц) через волновод. Образец располагался в непосредственной близости (1-2 мм) от конца волновода, и его центральная часть с введенными дислокациями полностью попадала в зону кавитации.
2 1
Рис. I. Схема дислокационных петель, использовавшихся в эксперименте, Ь - вектор Бюргерса дислокации
Для изучения дислокационной динамики использовались как традиционный метод двойного избирательного травления, так и метод прерывистого импульсного нагружения [4]. Для контроля состояния глубоких уровней измерялись спектры Для этого были
приготовлены два образца из смежных участков монокристалла кремния. Один из них подвергался кавитационной обработке в течение 4,5 часов. После этого на поверхности (111) каждого образца был сформирован Шоттки - диод путем напыления слоя золота толщиной 2-3 мкм в вакууме не хуже 10 3 торр и сняты спектры ОЬТБ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Наиболее сильные изменения при кавитационной обработке происходят в тонком приповерхностном слое. Для его изучения использовалось избирательное химическое травление. При малых длительностях КО, которые использовались в этой работе для изучения изменений в подвижности дислокаций и динамике кинков, избирательное химическое травление не выявляло каких-либо изменений, т. е. формирования крупных кластеров точечных дефектов при этом еще не происходило. Однако при увеличении длительности КО появлялись округлые плоскодонные ямки травления, видимо, представляющие вакансионно-примесные кластеры [9], сначала - вблизи краев волновода, а впоследствии - по всей поверхности образца. При удалении химической полировкой слоя толщиной - 10 мкм, сразу после КО, ямки травления не выявлялись, а влияние КО на подвижность дислокаций существенно ослаблялось.
Методом ОЬТ5 было изучено изменение концентрации дефектов, создающих глубокие уровни в запрещенной зоне кремния, при длительной КО. Обнаружено, что новых глубоких уровней не возникает, а происходит лишь изменение концентрации существовавших до обработки (рис. 2). Аналогичное медленное (в течение 10 месяцев) изменение концентрации центров было выявлено также для образца, не подвергавшегося КО. Таким образом, можно заключить, что длительная кавитационная обработка не приводит к образованию новых глубоких уровней в запрещенной зоне кремния, а лишь стимулирует процесс перераспределения дефектов между существующими центрами. Измерение зависимости от длительности обратного импульса показало, что дефекты - точечные, а близкая к линейной зависимость от амплитуды импульсов, что дефекты - не поверхностные (глубина залегания > 10 мкм). Зависимости от частоты следования импульсов позволили идентифицировать пики как А-подобные центры (комплекс вакансия - кислород), малоатомные кластеры из А-центров [10], а также примеси золота [11].
Исследование влияния длительности КО на среднюю скорость движения дислокаций показало, что скорость шестидесятнградусных дислокации может как уменьшаться (рис. 3), так и возрастать (рис. 4) с увеличением ее продолжительности. Было обнаружено, что даже кратковременная кавитационная обработка может приводить к заметному (в полтора-два раза) изменению подвижности индивидуальных дислокаций в образцах кремния.
Оказалось, что изменения подвижности дислокаций в зеркально-симметричных системах скольжения могут иметь даже противоположный знак. Так, если шестидесятиградусные дислокации типа 1 (рис. 1) в системе скольжения (111) [101] демонстрировали слабое уменьшение пробегов с ростом длительности КО, то в системе (111) [0Т 1 ] кавитационная обработка дает заметный рост их подвижности. Аналогичное поведение демонстрировали и шестидесятиградусные дислокации типа 2 (рис. 1) с иным порядком следования частичных дислокаций.
Следует отметить, что знак напряжений (растягивающие или сжимающие) не играл роли для всех перечисленных типов дислокаций. Сегменты же шестидесятиградусных дислокаций типа 3 (рис. 1), имеющие тот же порядок следования частичных, что и дислокации типа 2, но направленные под углом 60° по отношению к ним, практически не меняли подвижность при КО. Скорость всех винтовых дислокаций слабо возрастает с увеличением продолжительности обработки.
Перечисленные выше особенности можно объяснить на основе того факта, что в кристаллической решетке со структурой алмаза отсутствует зеркальная симметрия вдоль направлений типа [110]. Это связано с наличием в кристаллической решетке базиса из двух атомов, расположенных вдоль оси [111]. Отсутствие зеркальной симметрии определяет различные равновесные положения точечных дефектов и их кластеров в окрестности дислокаций в разных системах скольжения и, соответственно, неодинаковое влияние на динамику дислокационных кинков.
Скорость дислокации определяется скоростью зарождения дислокационных кинков и скоростью их движения вдоль дислокации [I]. Чтобы выяснить, который из этих факторов определяет изменение подвижности дислокации, методом прерывистого импульсного нагружения [4] было изучено влияние КО на характерное время зарождения устойчивых пар кинков на дислокациях в кремнии. Было установлено, что для
&ю"-
7х1011-
9с10"-
5к10"-
'g W-8 зло1’-
-О
£ 2<10"-
1x10"-0-
-1x10"-^----1----•----1----»----1----•---1----•----1----•
100 150 200 250 300
Т.К
Рис. 2. Спектр DI.TS образца, не подвергавшегося кавитационной обработке (пунктир) и образна, подвергавшегося КО в течение 4,5 часов, снятый через 6 часов после обработки (сплошная линия)
Длительность обработки, мин
Рис. 3. Изменение скорости 60° дислокаций типа 2 (рис. I) на стороне сжатия в системе скольжения (1 1 1) [ 1 01 ] в зависимости от длительности кавитационной обработки
Длительность обработки, мин
Рис. 4. Изменение скорости 60“ дислокаций типа 1 (рис. 1) на стороне растяжения в системе скольжения ( 1 11) [0 1 I] в зависимости от длительности кавитационной обработки
заведомо шестндесятиградусных дислокаций тина 1 на рис. 1, на стороне сжимающих напряжений, характерное время зарождения пар кинков после КО составляет ~ 1/2 времени перехода дислокации в соседнюю долину Пайерлса, как и до КО, в обеих системах скольжения. На стороне растягивающих напряжений, скорость зарождения пар кинков после КО становится относительно более высокой, чем до обработки, также одинаково в обеих системах скольжения. Таким образом, различия в изменении подвижности дислокаций типа 1 в зеркально симметричных системах скольжения следует отнести к разному изменению подвижности кинков при КО в этих системах.
Для дислокаций типа 2 изменения подвижности дислокаций и скорости зарождения кинков после КО коррелируют для обеих систем скольжения, на обеих сторонах образца. В этом случае увеличение подвижности дислокаций при КО в системе скольжения (111) [0 11] можно связать с увеличением скорости генерации кинков, а уменьшение подвижности дислокаций в системе (1 1 1) [101] - с уменьшением подвижности кинков за счет торможения на барьерах, создаваемых точечными дефектами.
Наблюдаемое после кавитационной обработки увеличение скорости зарождения устойчивых пар кинков на 60“ дислокациях типа 3 и винтовых дислокациях типа 4 пропорционально возрастанию скорости движения всей дислокации. Это свидетельствует о том, что генерируемые в кристалле в процессе кавитационной обработки дефекты, диффундирующие к дислокации, а также собираемые в процессе движения по кристаллу, являются центрами, способствующими зарождению пар кинков на этих сегментах дислокационной линии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хирт Дж\, Лоте //. Теория дислокаций. М.: Атомиздат, 1972. 599 с.
2. Erofeev К/V.. Nikitenko У.I., Osvenskii V.B. Effect of impurities on individual dislocation mobility in silicon // Physica Status Solidi. 1969. V. 35. № I. P. 79.
3. Бондаренко И.Е.. Никитенко В.И. О роли точечных дефектов и формировании закономерностей движения дислокаций в глубоком рельефе Пайерлса // Проблемы прочности и пластичности твердых тел: Сб. науч. rp. Л.: Наука, 1979. С. 244.
4. Иунин Ю.Л.. Никитенко В.И., Орлов В.II.. Фарбер в.Я Влияние точечных дефектов на процессы формирования и движения кинков на дислокациях в кремнии // ЖЭ’ГФ. 1991. Т. 100. № 12. С. 1951-1963.
5. Celli V., Kabler М.. Ninomiya Т. et al. Theory of dislocation mobility in semiconductors// Phys. Rev. 1963. V. 131. № I. P. 58-72.
6. Рыбин В.В.. Орлов А.Н. Теория подвижности дислокаций в кристаллах с высоким пайерлсовскнм рельефом // ФТТ. 1969. Т. 11. № II. С. 3251-3259.
7. Петухов Б.В. О влиянии точечных дефектов на подвижность
дислокаций в кристаллах с высокими барьерами Пайерлса // Ф'ГГ.
1971. Т. 13. №5. С. 1445-1449.
8. Ерофеев В.Н.. Никитенко В.И., Половинкина В.И и др. Исследование особенностей рентгенодифракцнонного контраста и геометрии дислокационных полупетель в кремнии // Кристаллография. 1971. Т. 16. № |.с. 190-196.
9. OemfwecKuii И.В.. Стебленко Л.П.. Надточий А.Б. Влияние ультразвуковой обработки на подвижность коротких дислокаций в кристаллах кремния // ФТТ. 1999. Т. 42. № 3. С. 478-481.
10. Watkins G.D., Corbett J.W. Dcfccts in Irradiated Silicon. I. Electron
Spin Resonance of the Si-/f Center 11 Phys. Rev. 1961. V. 121. № 4.
P. 1001-1014.
11. lumg D.V., Grimmeiss H.G.. Meijer E. et al. Complex nature of gold-related deep levels in silicon // Phys. Rev. B. 1980. V. 22. № 8. P. 3917-3934.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 01-02-97006.
