Физика/2. физика твердого тела

Вазанков Д.Б., Ярина О.С.

Автомобільно-дорожній інститут Донецького Національного Технічного Університету, Україна

Огляд експериментальних робіт з низькотемпературної деформації напівпровідників германию та кремнію.

Дослідження В.О.Надточього і В.П.Альохіна розширили уявлення про структурно-кінетичні особливості деформації напівпровідників з ковалентним типом міжатомних зв’язків. Так, у роботах В.П. Надточього досліджувався рух дислокацій від відбитків індентора, нанесених на бічну поверхню (111) зразків Ge після багаторазового навантаження в режимі стискання-розтягування з середньою швидкістю . Циклічні навантаження Ge здійснювалися стисканням уздовж [110] до напружень σ = 10 кг/мм² при температурах 300°, 270°, 150°, 80°, 20° С. Після декількох циклів стискання, з використанням іммерсійної оптики було виявлено, що розбіг дислокацій біля відбитків існує аж до кімнатних температур. Характерно, що вибірковим травленням на дислокаціях, що виникають при низьких температурах, виявляються дрібні ямки (приблизно 1-2 мкм у діаметрі), що обумовлено відсутністю домішкової атмосфери навколо дислокацій.

Було проведено дослідження особливостей розвитку мікропластичної деформації на торцевих і бічних поверхнях зразків Ge в низькотемпературній області при температурах 300°, 280°, 270°, 250°, 150°, 80° і 20° С після циклічних навантажень уздовж [110] до напруження σ = 10 - 12 кг/мм² зі швидкістю . На торцевих поверхнях кристалів при 280° С з'являються окремі напівпетлі, що виходять на поверхню, та скупчення дислокацій. При цій температурі ще можна витравити глибокі ямки з вершинами, але процеси ковзання по напрямках [110] вже майже не виявляються внаслідок переваги неконсервативного руху дислокацій і втрати єдиної площини ковзання. Якщо кристал навантажувати через пластичні мідні прокладки, то при тих же зовнішніх напруженнях можна спостерігати рух дислокацій у приповерхневих шарах при більш низьких температурах - аж до 20°С. При цьому дислокації можуть зароджуватися як за рахунок сил контактного тертя прокладки, так і на приповерхневих гетерогенних джерелах. При температурах 270° С і нижче травленням на дислокаціях виявляються дрібні ямки.

На бічних поверхнях зразків при 300°С перші зародки деформації з'являються біля торця у вигляді коротких ліній або цугів дислокаційних ямок, що починаються з торцевої поверхні, а також у вигляді дискретних скупчень дислокацій, що виникли на приповерхневих гетерогенних джерелах. Циклічні навантаження Ge при більш низьких температурах в інтервалі 250-20 ⁰С до напруження σ = 10 - 12 кг/мм² не викликають ковзання, однак деформаційні ефекти існують, а особливості їх проявлення визначаються одночасними діями наступних факторів:

1. Динамікою зростання ефективних напружень в області досліджень на бічній поверхні кристала. При заданій швидкості зростання зовнішнього напруження швидкість зростання ефективного діючого напруження в області дослідження кристалу тим більше, чим ближче вона знаходиться до ребер зразка.

2. Кінетикою розпаду твердого розчину домішок за рахунок утворення потоку нерівноважних вакансій у полі градієнта напружень.

3. Кінетикою зародження петель.

Виявлено, що при багаторазовому навантаженні Ge в температурному інтервалі 250°- 20° С з амплітудним напруженням однобічного циклу стискання σ = 10 - 12 кг/мм² і швидкостях деформування гетерогенне зародження дислокацій у при поверхневих шарах послаблено припливом надлишкових вакансій і преципітацією домішок, а при короткочасних дослідах (після 5-10 циклів) дислокації можуть не встигати зароджуватися. Розпад твердого розчину домішок починається біля ребер зразка, де напруження звичайно вищі, ніж в об’ємі, і при збільшенні числа циклів поширюється до середніх частин поверхні.

З іншого боку, при дуже малих швидкостях деформування (), при тих же умовах, зародження дислокацій надійно реєструється. При проміжних швидкостях деформування спостерігається як зародження петель, так і утворення виділень.

Домішкові ефекти, що спостерігаються, можна пояснити з позицій дифузійної кінетики відходу розчиненої речовини з пересиченої матриці в полі градієнта напружень й утворенням малих дисперсних виділень. Вирощені за методом Чохральского монокристали Ge і Si можуть містити в якості розчинених домішок кисень (), вуглець () і вакансії у вигляді вакансійно-домішкових комплексів чи кластерів із загальною концентрацією ~10¹⁵ см³ (за даними Де Кока, Фуллера, Кайзера, Долайдена).

Оскільки в бездислокаційних кристалах число стоків обмежене, ці домішки, особливо кисень, після охолодження кристала можуть знаходитись в пересиченому стані й при визначених умовах здатні коагулювати з утворенням комплексів чи виділень у вигляді фази. Цей процес може бути посилений шляхом створення в кристалі надлишкової концентрації вакансій.

Рухливість вакансій типу V^-, V^{- -} істотна навіть при температурах

70 - 150 ⁰С, а одинокі вакансії при кімнатних температурах через велику рухливість нерівноважні і легко утворюють комплекси (Б.І. Болтакс, Де Кок). У зв'язку з зазначеним, домішкові ефекти, що спостерігаються, можна пояснити зростанням стаціонарної концентрації вакансій, що встановлюється при рівності швидкості утворення надлишкових вакансій та їх відходу на стоки. З термодинамічної кінетики розподілу вакансій для кристалів, що знаходяться під тиском, варто очікувати підвищення концентрації вакансій (див. нижче), а, отже, і прискорення процесів розпаду в більш стиснутих областях, тобто поблизу ребер зразка, що і спостерігається експериментально.

З метою дослідження розвитку дислокаційної структури кристала від бічних ребер і середньої частини бічних поверхонь, а також від бічних поверхонь всередину зразка здійснювалось багаторазове їх навантаження до напружень σ = 9,5 кг/мм² зі швидкістю з різним числом циклів стискання при 300 К. Дислокаційна структура на різній глибині від бічної поверхні (110) досліджувалася шляхом послідовного хімічного полірування та короткочасного (3-4 сек) вибіркового травлення. Встановлено, що при збільшенні числа циклів стискання фронт мікропластичної деформації від бічних ребер просувається до середньої частини бічних поверхонь і після 10 циклів стискання вся бічна поверхня охоплюється дислокаційними ямками з майже однаковою густиною . Густина дислокацій різко знижується в міру хімічного споліровування поверхневих шарів Ge. Після видалення поверхневого шару δ = 5 мкм дислокації залишаються лише поблизу ребер. У більш глибоких областях кристала (δ = 100-150 мкм) виявляються фігури травлення пов’язані, очевидно, з виділеннями кисневих комплексів типу СеО_х, що утворились внаслідок розпаду пересиченого твердого розчину кисню в Gе.

Біля концентраторів (мікротріщин і т.і.) при великих зовнішніх напруженнях і досить повільних навантаженнях () глибина залягання дислокацій може іноді досягати значення δ = 40 мкм. Приповерхневий шар кристала Gе, товщиною δ = 5 мкм можна вважати аномально пластичним, оскільки на такій глибині зародження дислокацій може відбуватися навіть при невеликих зовнішніх напруженнях (σ = 10 кг/мм²).

На рис. 2 приведені криві динамічного стискання, на яких можна виділити чотири ділянки, характерні і для кривих стискання Gе ( ділянки ОА, АВ, Вс і СД ). Крива на рис. 1 побудована за результатами дослідження 20 зразків. Після одноразового навантаження до т. Д і розвантаження датчиком переміщень реєструвалась залишкова деформація, що змінюється від зразка до зразка в межах 0,3 - 0,8 мкм. Наявність площадки мікроплинності АВ обумовлена розмноженням дислокацій. Напруження початку мікроплинності для кремнію складає від , що вище, ніж для германія (). Повторне навантаження призводить до збільшення крутизни діаграм стискання.

Рис. 1. Характерні криві стискання Si з ростовими дислокаціями при першому (1) та повторному (2) навантаженні вздовж [110] при кімнатній температурі за даними В.О. Надточього

Аналогічні дослідження В.П. Альохіна дозволили отримати наступні результати: при знятті тонкого спектра кривих стискання було виявлено суттєво нелінійні ділянки. Так, на рис. 3 представлені криві стискання зразка Ge. Після розвантаження зразків від напружень реєструвалась залишкова деформація в інтервалі від 0,5 до 1,0 мкм. Багаторазові навантаження Ge при 20 ⁰С призводили до зменшення площадки мікротекучості (АВ) та зміщення її в область більш високих напружень, а також визивали зростання мікротвердості в тонких приповерхневих шарах кристалу. Після хімічного сполірування поверхневих шарів на глибину 10 мкм спостерігалось повернення значень мікротвердості до попередніх.

А В

Рис. 2. А – характерні криві при одновісному стисканні Ge n – типу з середньою швідкістю стискання 5 кгс/хв (), побудовані за результатами дослідження 20 зразків. 1- залежність деформування зразка від напруження; 2 – залежність відносного опору від напруження в процесі навантаження через ізоляційні прокладки.

В – криві стискання Ge при повторюваних навантаженнях: перше (I), друге (II), третє (III) навантаження.

На вкладці дані результати вимірювань мікротвердості зразка Ge до (1) та після 8 циклів стискання (2) до напружень .

Можна, очевидно, вважати, що специфічної особливістю руху дислокацій у низькотемпературному інтервалі 270° - 20° С в кристалах Gе і Si є наявність актів поперечного ковзання, внаслідок чого в низькотемпературному інтервалі слабко виявляється тенденція кристалографічної орієнтації петель уздовж [110] на площині [111], що має місце при високих температурах. У результаті робиться висновок, що деформаційні процеси зміцнення при 300 К, що з’являються після циклічних навантажень у поверхневих шарах ~100 мкм виникають як внаслідок розмноження дислокацій, так і за рахунок домішкових виділень.

ЛІТЕРАТУРА:

1. Swarezentruber B.S.// Phys. Rev. Lett. – 1996, v. 76, №3. - c. 459-462.

2. W.G. Wolfer. Diffusion of point defects in a stress gradient. //Scripta METALLURGICA, 1971, 5, №11, р. 1017 – 1022.

3. Абызов А.С., Слезов В.В., Танатаров Л.В. О роли вакансий в релаксации напряжений вокруг растущего включения новой фазы.// ФТТ, 1991, т. 33, №3. – с. 973 – 975.

4. Александров Я.Н., Зотов М.И. Внутреннее трение и дефекты в полупроводниках. – Новосибирск, 1979.

5. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М.:Наука, 1983.- 280 с. Блейкли Д.М. Поверхностная диффузия. М.: Металлургия, 1965. – 127 с.

6. Болотов В.В., Васильев А.В., Смирнов Л.С. Об знергии миграции простейших дефектов в германии и кремнии.// ФТП. – 1974, т. 8, вып.3. – с.518-521.

7. Болтакс Б.И. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках. М: Гос. изд-во физико-математической литературы, 1961. – 461 с.

8. Бургуэн Ж., Ланно М. Точечные дефекты в полупроводниках. Экспериментальные аспекты. М.: Мир, 1985. – 304 с.

9. В.А. Пантелеев, Н.Е. Рудой. // ФТП, 4, 1970, с. 1368.