CC BY
31PHYSICAL SCIENCES
INVESTIGATION OF THE SURFACE OF SINGLE-CRYSTAL SILICON USING ATOMIC FORCE MICROSCOPY AND ANALYSIS FOR USE IN SPACE TECHNOLOGIES
Nasirova D.,
PhD
Nurakhmet B. Zharylkassyn L.
undergraduates of the Institute of Mathematics, Physics and Informatics, specialty "Physics"
Kazakh National Pedagogical University named after Abai
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ ПОСРЕДСТВОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ И АНАЛИЗ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
ЕЕ В КОСМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЯХ
Насирова Д.М.
ст. преподаватель Нурахмет Б.Ж., Жарылкасын Л.
магистранты института математики, физики и информатики, специальности «Физика» Казахский Национальный Педагогический Университет имени Абая
Abstract
The relevance of this topic is due to the fact that space exploration and the development of the space industry cannot develop separately from space materials science and the use of modern technologies. Single crystals, including silicon single crystal, are a very promising material for use in extremely difficult space conditions. And AFM gives a full-scale picture of the properties of single-crystal silicon.
Аннотация
Актуальность данной темы обусловлена тем, что освоение космоса и развитие космических индустрии не могут развиваться порознь от космического материаловедения и использования современной технологий. Монокристаллы, в том числе монокристалл кремния является очень перспективным материалом для применения в экстремально-сложных космических условиях. А АСМ дает полномасштабную картину свойств монокристаллического кремния.
Keywords: single crystal, single crystal silicon, atomic force microscope, cantilever
Ключевые слова: монокристалл, монокристаллический кремний, атомно-силовой микроскоп, канти-левер
Освоение космоса и развитие космических технологий невозможно без широкого развития космического материаловедения и внедрения результатов этого направления науки. При разработке космических аппаратов и станций требуются новые материалы, которые должны выдерживать экстремальные условия космических полетов (высокие температура и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, удары микрочастиц и т.д.).
Научным сообществом из области космического материаловедения было изучено множество материалов, которые могли бы служить защитой от радиации. Выполняется ряд национальных и международных программ, связанных с изучением её воздействия на людей и поиском средств защиты [1, 7-8].
Решение проблемы должно быть связано с защитными устройствами не требующими больших энергетических затрат, не занимающими большого объема и имеющими относительно малый вес [1-2].
Имеются патенты и авторские свидетельства по изучения монокристаллов и их использования для защиты космических аппаратов (список использованных источников). Монокристалллический кремний состоит из кремния, где вся кристаллическая решетка твердого тела непрерывна по краям и свободна от границ зерен. Монокристаллический кремний можно рассматривать как собственный полупроводник, состоящий только из сверхчистого кремния.
К монокристаллическому кремнию относятся цилиндрические слитки кремния выращенные методом Чохральского. Слитки могут иметь монокристаллическую бездислокационную структуру (число дислокаций не более 10 шт./см2); монокристаллическую структуру с линиями скольжения, двойниковую структуру (двух и трёхзёренные кристаллы), поликристаллическую структуру с мелким и крупным зерном.
В зависимости от условий выращивания слитки, имеющие в верхней (призатравочной) обла-
сти бездислокационную структуру, могут прекращать бездислокационный рост, преобразуясь сначала в структуру с линиями скольжения (в ходе роста развивающиеся линии скольжения прорастают в бездислокационную часть слитка на длину порядка диаметра слитка), а затем поликристаллическую структуру, образуемую постепенно уменьшающимся до 2—3 мм в поперечном сечении кристаллитами.
Выращенные кристаллы монокристаллического кремния подвергаются механической обработке.
Как правило, механическая обработка слитков кремния ведётся с использованием алмазного инструмента: ленточных пил, пильных дисков, шлифовальных профилированных и непрофилирован-ных дисков, чаш. На конец 2000-х годов в оборудовании для первоначального раскроя и квадратирования слитков наблюдается постепенный переход с ленточных пил на проволочную резку алмазно-импрегнированной проволокой, а также проволочную резку стальной проволокой в карбид-кремниевой суспензии.
При механической обработке сначала из слитка вырезают части, пригодные (по своим структурным, геометрическим и электрофизическим свойствам) для изготовления приборов. Затем монокристаллический кремний, предназначенный для изготовления электронных приборов (электронный кремний), подвергается калибровке под заданный диаметр. В некоторых случаях на образующей полученного цилиндра выполняется базовый срез, параллельный одной из кристаллографических плоскостей.
Монокристаллический кремний, предназначенный для изготовления фотоэлектрических преобразователей калибровке не подвергают, но выполняют так называемое квадратирование. При квадратировании обрезаются сегменты с образующей цилиндра до образования полного квадрата или неполного квадрата (псевдоквадрата), который образован симметрично расположенными неполными сторонами квадрата с диагональю большей,
чем диаметр слитка, соединёнными по дуге оставшейся образующей цилиндра. За счет квадратиро-вания обеспечивается более рациональное использование площади, куда устанавливаются псевдоквадратные кремниевые пластины [3].
Монокристаллы различаются наименьшими структурными несовершенствами. Получение монокристаллов позволяет изучать характеристики металлов, исключив воздействие пределов зерен. использование в монокристаллическом состоянии германия и кремния высокой чистоты дает вероятность извлекать их полупроводниковые характеристики и свести к минимуму неуправляемые изменения гальванических свойств.
Монокристаллы возможно получить, если создать условия для роста кристалла исключительно из одного центра кристаллизации. имеется различные методики, в которых использован данный принцип. главными из них являются технологии Бриджмена и Чохральского.
Метод Чохральского состоит в вытягивании монокристалла из расплава. Для этого применяется готовая затравка - маленькой образец, вырезанный из монокристалла по возможности без структурных дефектов. Затравка вводится в поверхностный слой жидкого металла, располагающего температуру чуть выше температуры плавления. Плоскость затравки, соприкасающаяся с поверхностью расплава, должна иметь кристаллографическую ориентацию, которую желательно получить в вытягивающемся монокристалле для обеспечения максимальных значений тех или других свойств. Затравку выдерживают в жидком металле для оплавления и установления равновесия в системе жидкость кристалл. Затем затравку медленно, со скоростью, не превышающей скорости кристаллизации удаляют из расплава. Тянущийся за затравкой металл в области более низких температур над поверхностью ванны кристаллизуется, наследуя структуру затравки. Для получения симметричной формы растущего монокристалла и равномерного распределения примесей в нем ванна с расплавом вращается со скоростью до 100 об/мин а навстречу ей с меньшей скоростью вращается монокристалл.
Рисунок 1. Схема метода Чохральского [4]. Изображенный стадии (слева направо): расплавление поликремния, введение затравки, начало выращивания монокристалла, процесс вытягивания монокристалла, окончание выращивания.
Диаметр растущего монокристалла зависит от скорости выращивания и температуры расплава. Увеличение скорости выращивания ведет к выделению большей теплоты кристализации, перегреву расплава и уменьшению диаметра монокристалла, и наоборот, уменьшение скорости выращивания приводит к уменьшению количества теплоты кристаллизации понижению температуры расплава и увеличению диаметра монокристалла.
Очень многообещающе выращивание монокристаллов в космосе, где удачно сочетаются абсолютный вакуум и невесомость. Космический вакуум до 10 13 Па, практически недостижимый в земных условиях, способствует внушительной очистке от примесей. Вследствие того, что в невесомости силы гравитации очень малы, в расплавах практически не возникает конвекции, которая в земных условиях вызывает непостоянность параметров роста кристаллов. непостоянность роста в свою очередь, служит фактором появления несовершенств кристаллического строения, неоднородности химического состава и свойств кристаллов.
Отсутствие конвекции не исключает образования микронеоднородностей вызванных другими причинами. Однако монокристаллы выращенные в космосе, безупречнее по структуре, распределению легирующих примесей и лучше по свойством, значительно больше по размерам [5].
Монокристаллический кремний обычно создается одним из нескольких способов, которые включают плавление высокочистого кремния полупроводникового класса и использование семени для инициирования образования непрерывного монокристалла. Этот процесс обычно проводят в инертной атмосфере, такой как аргон, и в инертном тигле, таком как кварц, во избежание примесей, которые влияют на однородность кристалла [6]. Нами был использован монокристалл кремния в конусообразной форме, полученный с помощью наиболее распространенного метода Чохральского. Кристалл относительно большой формы с размером 2х3см (рис. 2).
Рисунок 2. Монокристалл Si
Для исследования поверхности монокристалла, путем механической резки, был получен образец в цилиндрической форме с размером 2х5 мм (рис. 3).
Рисунок 3. Образец Si в цилиндрической форме для исследования в АСМ
Визуально видно, что структура монокристаллического кремния волнистая, не плоская, что, в свою очередь, вынуждало очень четко использовать АСМ для исследования поверхности. Сначала образец исследовали под оптическим микроскопом Opton немецкого происхождения. На рисунке 3
продемонстрированы рисунки с четырьмя видами приближения (40, 160, 400 и 800). На первом рисунке хорошо видна волнистая структура образца. На 2, 3 и 4 видна окись кремния. Это говорит о том, что образец достаточно окислен.
Рисунок 4. Образец Si под оптическим микроскопом
АСМ используется для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем вплоть до атомарного (и даже субатомарного) уровня. Для исследования поверхности образца использовался АСМ марки JSPM-5200, который позволяет не только определять рельеф поверхности, но и позволяет следить за скоростью химических реакции. Для получения более точного снимка
АСМ оборудован компрессором. Компрессор служит для исключения воздействия внешних сил, вибрации, колебании и т.д. Одной из главных задач было максимально четко использовать кантилевер микроскопа, так как структура и форма образца намного отличалась от необходимых пропорции исследуемых образцов. АСМ дал более четкое представление о структуре монокристаллического кремния (рис. 5).
Рисунок 5. Снимок монокристалла кремния в АСМ
Любое отклонение на несколько микрон могло повредить кантилевер, либо сломать. Наш образец имел волнистую структуру в конусообразной форме. Образец закрепили с помощью прочного двустороннего скотча. Для ровной поверхности требовалось поднять одну из сторон образца - компенсировали это пространство с помощью обычного пластилина. Сканирование проходило при комнатной температуре. На полученных снимках АСМ четко видны границы участков, где темные участки показывают меньшую концентрацию частиц, где светлые участки - больше сконцентрированы частицы Si. По снимкам можно определить в каком направлении нитевидные структуры выросли, то есть в каком направлении кристаллы росли, с каким углом. К примеру, условно говоря, здесь визуально видно, что рост нитевидной структуры близок к 45 градусам. Процесс получения снимков проходил с достаточно медленной скоростью. Это обуславливается тем, что поверхность
образца имеет холмы, искривления, что, в свою очередь, может привести к повреждению канти-ливера. По снимкам можно определить в каком месте кристаллы пошли вверх. Так же можно определить расстояния между частицами (рис. 6). На снимке четко видно, что расстояния между информационными выступами периодичны, примерно 1,55мкм. 25х25мкм самый максимальный размер снимка, которую позволяет нам получить данное оборудование. Можно снимать и другие участки, для этого нужно двигать образец, в нашем случае это сложный процесс, так как образец имеет не ровную структуру. Эти выступы мешают сканированию образца. Чем выше кристаллы по оси Z, тем сложнее их сканировать. Для этого мы максимально обеспечили максимально свободный ход кантиливера путем поднятия и опускания столика на котором расположен образец и перемещения самого образца в диагональных направлениях в АСМ.
Рисунок 5. Снимок монокристалла кремния в АСМ
Монокристаллический кремний является основным материалом для кремниевых чипов, используемых сегодня практически во всем электронном оборудовании.
Обучающиеся провели процесс сканирования, получили кривые по шероховатости исследуемых поверхностей, а также их фрактальные размерности. Научились анализировать полученные графики, сравнивать показания физических приборов с табличными данными. Эти навыки являются наиболее важными в фундаментальной подготовке специалистов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Инновационный патент № 24369 на изобретение, 27.06.2011, авторства на изобретение № 69557 от 28.12.2009
2. Таратин А.М. Каналирование частиц в изогнутом кристалле // Физика элементарных частиц и атомного ядра - 1998. - Т. 29. - С. 1063-1118.
3. Ищенко А.А., Фетисов Г.В., Асланов Л.А. Нанокремний: свойства, получение, применение, методы исследования и контроля, Глава 3, Тимошенко В.Ю.-Москва: Физматлит. -2012.
4. Handbook of Crystal Growth. Volume 2: Bulk Crystal Growth. NORTH-HOLLAND, 1994
5. Материаловедение (Арзамасов Б. Н.) 23
стр.
6. Основные особенности метода выращивания кристаллов по способу Чохральского С. Е. Юленков*, С. В. Котельникова, С. П. Саханский
7. Такибаев Н.Ж., Гулиев Н.И., Курмангали-ева В.О., Такибаева М.Н., Использование явления каналирования и нанотехнологии создания защитных материалов для космических станций, Известия НАН РК, № 4, с 176-179, 2009.
8. Такибаев Н.Ж. «Защита космических станций от потоков солнечных частиц», Материалы Ка-захстанско-Украинской конференции «Современные космические технологии», Программа и тезисы конференции, 2008, Алматы, с 76-77.
COMBINATION OF CONCRETE AND STEEL REINFORCEMENT
Amanzhol U.
Master student, Abai Kazakh national pedagogical university БЕТОН ЖЭНЕ БОЛАТ АРМАТУРАНЬЩ YfrnECIMI
Аманжол Y.
Магистр, Абай атындагы Цазац улттыц педагогикалыцуниверситетi
Abstract
The article considers reinforced concrete, obtained from a combination of concrete and steel reinforcement. It is said that from what factors depends on the resistance of reinforcement to adhesion or movement of concrete. Written on the properties and disadvantages of reinforced concrete, areas of application. Review of the importance
