К.ф.-м.н. Олейнич-Лысюк А.В., докт. ф.-м. н. Фодчук И.М.

Черновицкий национальный университет им. Ю. Федьковича, Украина
К ВОПРОСУ О ПРИРОДЕ ИНВЕРСИИ ЭФФЕКТИВНОГО МОДУЛЯ СДВИГА В СОСТАРЕННОМ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КРЕМНИИ

Исследование низкочастотного внутреннего трения (ВТ) и эффективного модуля сдвига (G _еф) в монокристаллическом кремнии, выращенном методом Чохральского (Cz-Si), проведенные ранее, позволили выявить обратный температурный гистерезис эффективного модуля сдвига [1], природа которого так и осталась не выясненной. При этом было установлено, что отжиги при различных температурах в интервале 20-450°С по-разному влияют на величину гистерезиса, однако не изменяют его характера - он остается обратным и обратимым, т.е. кривые нагревания проходят выше кривых охлаждения в каждом цикле “нагревание-охлаждение”.

В настоящем сообщении представлены результаты исследования ВТ и G _еф в Cz-Si после: длительного старения при комнатной температуре и последующих отжигов при различных температурах, проводимых с целью выяснения природы обнаруженного гистерезиса.

Измеряли ВТ на низкочастотном полуавтоматическом релаксометре типа обратный крутильный маятник на частотах 1-3 Гц в вакууме не ниже 10 ³ Па на образцах кремния, вырезанных в виде параллелепипедов 1,5х1,5х80 мм³ из бездислокационного монокристалла. Боковые грани образца были параллельны плоскостям (110) и (111). Относительные погрешности эксперимента не превышали 1% для ВТ и 0,2% для G _еф, соответственно.

Результаты проведенных исследований вкратце можно свести к следующему:

· Выдержка кремния при комнатной температуре в течение года не изменяя характера температурного гистерезиса эффективного модуля сдвига приводит к существенному (на порядок) уменьшению его величины в интервале 20-180 °С;

· Выдержка состаренных образцов в течение часа при 270 °С приводит к инверсии эффективного модуля в интервале 60 - 250 °С и возникновению ряда максимумов внутреннего трения в интервале 50 - 200 °С (рис.1).

· Кинетические исследования, проведенные при 270 °С, свидетельствуют о протекании в Si как минимум двух типов процессов: быстрых (до 20 минут) и более медленных.

· Отжиг при 270 °С в течение 2 часов увеличивает «инверсный гистерезис» модуля в несколько раз, не меняя при этом температурного интервала его проявления (рис.1)

Рис.1. Температурные зависимости ВТ и f²~ G _еф Cz-Si после отжига

при 270 °С 2 часа.

Рис.2. Кинетическая зависимость , измеренная при 270 °С, в координатах Хема .

Анализ полученных кинетических результатов в рамках модели Хема [2] показал, что во время отжига при 270°С в образцах происходит распад пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии с геометрическим показателем n = 0,605 (n ~ 2/3) на второй стадии, что позволяет предположить рост диско-подобных выделений кислорода, на что указывает величина энергии активации процесса (2,5 эВ) и коэффициентов диффузии (D = 1,89×10^-16 м ²/с).

Таким образом, расчеты показывают, что инверсия эффективного модуля сдвига в кремнии в интервале 20 -250°С связана с образованием в процессе обработок диско-подобных комплексов кислорода при распаде пересыщенного твердого раствора и их «движением» в переменном поле механических напряжений.

Список литературы

[1]. Гуцуляк Б.И., Олейнич-Лысюк А. В., Фодчук И. М. //ФТП,39, 7, 769 (2005).

[2]. Криштал М.А.,Головин С.А. Внутренне трение и структура металлов. М.: Металлургия, 1976. 374 с.