Рентгенодифрактометричні дослідження змін структурної досконалості бездислокаційних кристалів кремнію під дією іонного опромінення, відпалу та гідростатичного тиску

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

УДК 548.4+548.734

РЕНТГЕНОДИФРАКТОМЕТРИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ЗМІН СТРУКТУРНОЇ ДОСКОНАЛОСТІ БЕЗДИСЛОКАЦІЙНИХ МОНОКРИСТАЛІВ КРЕМНІЮ ПІД ДІЄЮ ІОННОГО ОПРОМІНЕННЯ, ВІДПАЛУ ТА ГІДРОСТАТИЧНОГО ТИСКУ

01.04.07-фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидат фізико-математичних наук

Мельник Василь Михайлович

КИЇВ 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Iнституті фізики напівпровідників НАН України, м. Київ.

Науковий керівник: Член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, завідуючий відділом, Мачулін Володимир Федорович, Інститут фізики напівпровідників НАН України

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор, завідуючий відділом, Бабич Вілік Максимович, Інститут фізики напівпровідників НАН України;

кандидат фізико-математичних наук старший науковий співробітник, зав. Лабораторією Кисловський Євген Миколайович, Інститут металофізики ім. В.Г. Курдюмова НАН України.

Провідна установа: Чернівецький державний університет ім. Юрія Федьковича

Захист відбудеться “16” червня 2000р. о 15³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01. при Інституті фізики напівпровідників за адресою: 03028, Київ, пр. Науки,45.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України, Київ, пр. Науки,45.

Автореферат розіслано 12травня 2000р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

канд фіз.-мат. наук __________________________Охріменко О.Б.

Вступ

Актуальність теми. На сьогоднішній день досягнуто великих успіхів в області вирощування напівпровідникових монокристалів. Сучасні методи вирощування дозволяють отримувати напівпровідникові кристали, за структурою близькі до ідеальних. Завдяки інтенсивному контролю процесу вирощування вдається отримувати бездислокаційні монокристали з приблизно заданою концентрацією домішки, а тому виникла необхідність у створенні нових, розвитку та вдосконаленні вже існуючих методів їх діагностики.

Існує досить широкий арсенал різноманітних методів дослідження структурної досконалості реальних монокристалів. Найбільш повну сукупність інформації про структуру можна отримати за допомогою дифракційних методів, які базуються на розсіюванні короткохвильового випромінювання кристалічною решіткою. Широке застосування отримали дифракційні методи, які дозволяють наочно спостерігати структурні дефекти в кристалах: це електронна мікроскопія, різноманітні варіанти топографічних методів. Неруйнівний контроль структури кремнієвих кристалів також можливий за допомогою рентгенівських дифрактометричних методів, застосування яких обумовлене високою чутливістю до різноманітних дефектів і дозволяє отримувати досить великий обєм необхідної інформації. Теоретичною основою таких методів є динамічна теорія дифракції рентгенівських променів на реальних кристалах, яка в даний час зазнає багатогранного розвитку.

Існують уже розроблені теоретичні уявлення, які дозволяють характеризувати стан структури за допомогою різноманітних параметрів дифракції. Високою чутливістю на порушення структури реальних кристалів володіють усереднені по обєму (так звані інтегральні) характеристики структурної досконалості, які знаходяться за допомогою аналізу одержаних даних з рентгенівських дифрактометричних методів. Ці характеристики дають можливість оцінювати стан структурної досконалості як якісно так і кількісно, а також експресно отримувати інформацію про структурні спотворення. На сьогодні представляє значний інтерес накопичення і систематизація експериментальних даних про процеси дифракції на кристалах з дефектами різної природи. Ця інформація може використовуватись для розвитку фізичних уявлень механізмів дифракції, проведення аналізу коректності застосування теоретичних виразів, які повязують параметри дифракції з інтегральними характеристиками структури, оптимізації умов дифракційних експериментів для підвищення експресності, розширення можливостей діагностичних методик та створення більш гнучких та простих методів структурної діагностики.

Основну увагу приділяється рентгенівським дифракційним методам, які базуються на динамічній теорії розсіювання в геометрії Брега, розвиток якої на певному етапі зазнав сповільнення. А тому недостатнє вивчення цих методів гальмує розвиток окремих експресних підходів та методик, які базуються на дифракції в даній геометрії.

Таким чином, на основі всього вищесказаного потрібно відмітити, що дана робота носить актуальний характер, а вивчення структурних змін у монокристалах кремнію під дією різноманітних фізичних факторів є актуальною науковою задачею.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно з планами науково-дослідних робіт інституту фізики напівпровідників НАН України за темою: “Дослідження структури напівпровідникових монокристалів під дією різних фізичних факторів” (№ держреєстрації 0195u0245/2) та в рамках спільних наукових польсько-українських досліджень.

Мета і задачі дослідження: експериментальні дослідження закономірностей динамічної теорії дифракції рентгенівських променів на бездислокаційних монокристалах кремнію, в яких присутні різноманітні спотворення структури, що утворились у процесі різних технологічних обробок.

Наукова задача поєднує: 1) вивчення впливу спотворень на величину і поведінку інтегральної відбиваючої здатності та її компонент в залежності від порядку відбиття з метою отримання нової інформації про характер динамічної дифракції рентгенівських променів на слабоспотворених кристалах і оптимізації умов дифрактометричного експерименту в геометрії Брега; 2) вдосконалення розроблених методів діагностики та розширення їх границь застосування; 3) дослідження закономірностей дифракції рентгенівських променів на масивних реальних кристалах кремнію для розвитку уявлень про вплив структурних спотворень на параметри дифракції і перевірки теоретичних представлень; 4) контролю та поведінки змін структурної досконалості монокристалів кремнію після технологічних обробок під впливом різних фізичних факторів.

Наукова новизна одержаних результатів. При дослідженні структурної досконалості монокристалів з різноманітними дефектами та впливу їх на інтегральну відбиваючу здатність в даній роботі отримано ряд нових наукових результатів:

Розширено умови застосування методики просторового розподілу дифракції рентгенівських променів в геометрії Брега, яка базується на розділенні вкладів когерентної та дифузної компонент інтегральної відбиваючої здатності в області х, де присутня когерентна компонента. Подані представлення поведінки дифрагованої інтенсивності на кристалах з неоднорідно розподіленими по глибині дефектами структури.

Встановлено когерентний характер взаємодії рентгенівських променів з планарними дефектами різної товщини і гладкості в обємі зразків за допомогою моделі, яка основується на чисельних розвязках рівнянь Такагі-Топена.

Зясовано вплив високотемпературного відпалу і гідростатичного тиску на процеси еволюції кисневих преципітатів в монокристалах кремнію, які відіграють роль внутрішніх гетерів, в різних областях температур відпалу (преципітації, розчинення кисневих кластерів).

За допомогою незалежних методів досліджень структури виявлено суттєвий вплив величини гідростатичного стискування на інтегральні характеристики структурної досконалості монокристалів, що обумовлено зміною параметрів дефектів.

Встановлено вплив іонної імплантації та характеру хімічної активності домішки на процеси утворення радіаційних SiO_x-кластерів. Виявлені відмінності дефектних структур після відпалу при температурах розпаду твердого розчину кисню в кристалах, які містять різну вихідну концентрацію кисню.

Експериментально вивчений вплив дефектів різної природи на величину інтегральної відбиваючої здатності кристалів, а також на характер профілів кривих просторового розподілу інтенсивності в геометрії Брега, обумовлений дією різних фізичних факторів.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані в дисертації нові результати розвивають представлення про особливості дифракції рентгенівських променів на реальних кристалах, які містять дефекти різної природи, а також доповнюють загальну експериментальну базу для розширення функціональних можливостей і створення нових методів дослідження структури монокристалів. Розроблені і удосконалені в роботі методи дають можливість експресного отримання кількісної і якісної інформації про структурний стан зразків, про тип (кластери, дислокаційні петлі, захоронені шари) точкових дефектів, які утворилися в результаті впливу різних фізичних факторів (іонного опромінення, високотемпературного відпалу, гідростатичного тиску). А тому все це викликає інтерес для вдосконалення методів технології вирощування і обробки монокристалічного матеріалу в процесі створення напівпровідникової бази для виробництва приладів і інтегральних схем.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі узагальнені результати експериментальних досліджень, виконаних дисертантом особисто в рамках задач, поставлених науковим керівником. Дисертантом особисто проведена основна частина експериментальних вимірювань та обробки одержаних результатів. Він приймав безпосередню участь в постановці таких задач як удосконалення методу просторового розподілу до діагностики реальних кристалів, моделюванні експерименту, вибору оптимальних умов дифракції при проведенні експериментів. Оскільки дисертант приймав активну участь в написанні, оформленні і обговоренні статей, він являється повноправним членом авторського колективу в усіх матеріалах опублікованих наукових праць у співавторстві.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались і обговорювались на слідуючих конференціях і семінарах: “4^th international school and symposium on synchrotron radiation in natural science” (15-20 червня 1998 року, Польща), “3^d international school and symposium on physics and materials science” (Jaszowiets, 1998, Польща), наукових семінарах Інституту фізики напівпровідників НАН України.

Публікації. За темою дисертації опубліковані 5 наукових статей та 2 тез доповіді на конференціях.

Дисертація загальним обємом 169 сторінок складається з 5 розділів, вступу та заключної частини і вміщує в себе 29 рисунків, 6 таблиць та список літератури із 170 найменувань.

Основний зміст роботи

дифракція спотворення рентгенівський промінь

У вступі обгрунтована актуальність вибраного напрямку досліджень, коротко розглянутий стан проблеми на сьогоднішній день, звязок з науковими планами, сформульовані мета і задачі виконаних наукових досліджень, наукова новизна одержаних результатів, їх практичне значення та відомості про апробацію, а також кількість публікацій та тез, опублікованих за темою дисертаційного матеріалу.

У першому розділі зроблено літературний огляд по темі дисертації та проаналізовано стан питання на сучасному етапі. Коротко розглянуті теоретичні та експериментальні аспекти проблеми дифракції рентгенівських променів на реальних монокристалах в Лауе- та Брег- геометрії, а також дефектоутворення в кремнії, обумовлене еволюцією кисневих дефектів та іонною імплантацією. Важливу увагу приділено можливості використання дифракційних ефектів для визначення інтегральних характеристик структурної досконалості в кристалах кремнію. Аналіз оглянутих літературних даних підтвердив актуальність поставленої в рамках роботи задачі.

Другий розділ обгрунтовує основні аспекти апаратурних та методичних особливостей, характерних для виконаних рентгенівських дифрактометричних вимірювань.

У третьому розділі наводяться наглядні результати модельних та експериментальних досліджень по впливу неоднорідних структурних пошкоджень (тонкі і товсті захоронені шари, полоси росту в процесі відпалу) в кристалах кремнію.

В першому параграфі за допомогою розвязків рівнянь Такагі-Топена змодельовано вплив планарних дефектів на поведінку дифрагованої інтенсивності рентгенівських променів в геометрії Брега вздовж напрямку поверхні кристалу та в дельті Бормана. Обєктом досліджень був вибраний монокристалічний кремній, в якому в якості модельного виду планарних дефектів був вибраний захоронений шар з точкових дефектів, локалізований на глибині 20 мкм, починаючи від його границі, паралельно поверхні кристалу і відбиваючим площинам. Для дослідження використовувалось симетричне 400-відбиття для Ag K₁-випромінювання рентгенівського характеристичного спектру. В першому випадку моделювався тонкий плоский шар з однорідним розподілом точкових дефектів (з гладкими границями) товщиною 1 мкм від поверхні, яка набагато менша екстинкційної довжини для даних дифракційних умов (₀=55.4 мкм). Другий випадок демонструє захоронений шар товщиною 20 мкм також з гладкими границями розділу. В третьому випадку змодельований захоронений шар з шорсткими границями розділу з неоднорідним розподілом точкових дефектів вздовж своїх границь, що є найбільш близьким реальним явищем при утворенні захороненого шару обумовленого імплантацією високоенергетичними іонами. Товщина шару і глибина залягання аналогічні випадку 1.

Основні результати для однорідного поля деформацій вздовж границь гладкого планарного дефекту (випадки 1 і 2) наглядно демонструють слідуючі особливості дифракції рентгенівських променів (рис.1). Як видно з рис.1 для моделі гладких захоронених шарів досить добре спостерігаються картини екстинкційних биттів, добра видимість освіченого дефекту та його границь, багаторазові відбивання променів від границь дефекту та ефект хвилеводу в товстому шарі. По стрибках інтенсивності на дифрактограмах можна знаходити товщину залягання шару та його власну товщину. Отримані результати дозволяють зробити висновок про подібність механізмів розсіювання рентгенівських променів на планарних дефектах з гладкими границями з дифракційними механізмами, які проявляються на границях кристал-вакуум та границях дефектів упаковки.

При неоднорідному розподілі деформацій (випадок 3) вздовж границь планарного дефекту (шорсткий захоронений шар), які мають місце при неоднорідному розподілі дефектів кулонівського типу вздовж границі захороненого шару спостерігаються слідуючі ефекти (рис 2): розмиття екстинкційних биттів за рахунок появи дифузної компоненти розсіювання на дефектах; збільшення області взаємодії падаючого пучка з границею дефекту, що приводить до зміщення стрибка інтенсивності та аномальної видимості точкових дефектів за рахунок флуктуацій їх вздовж границі захороненого шару. Ця модель розсіювання планарним дефектом найбільш близька до ситуації, коли в кристалі присутній захоронений шар, обумовлений гальмуванням високоенергетичних іонів. Дифракційне зображення реального захороненого шару являється суперпозицією зображень окремих точкових дефектів кулонівського типу і зображення планарного дефекту, як результату взаємодії рентгенівських променів з комплексним усередненим полем спотворнь від сукупності точкових дефектів, що утворюють захоронений шар.

В другому параграфі обгрунтована можливість виділення дифузної компоненти повної відбиваючої здатності кристалів кремнію та визначення коефіцієнта додаткових втрат енергії за рахунок дифузного розсіювання рентгенівських променів на дефектах з аналізу кривих просторового розподілу дифрагованого в геометрії Брега пучка на кристалах з однорідним і неоднорідним розподілом дефектів по глибині. Обєктами досліджень послужили бездислокаційні монокристали кремнію з різним ступенем структурної досконалості. Для отримання їх відповідної дефектної структури кристали підлягались іонному опроміненню, а також циклу високотемпературних відпалів, які призводили до зміни кисневих дефектів по глибині.

Одержані результати із проведених досліджень показали принципову можливість виділення дифузної компоненти з кривих просторового розподілу інтенсивності дифрагованого пучка в областях, де присутня і когерентна складова в зразках з однорідним розподілом дефектів (рис.3), а також в тонких (t<2) зразках. А тому, аналізуючи представлені експериментальні криві, раніше наведена в літературі умова х (-довжина екстинкції) може бути значно послаблена. В цьому випадку за допомогою отриманого виразу доведено зміст нахилу графіка залежності ln[(I-I_in)/I₀] від координати х вздовж поверхні кристалу, як значення коефіцієнта додаткових втрат енергії при дифузному розсіюванні . Показано також можливість контролю параметрів структурної досконалості в кристалах з неоднорідним розподілом дефектів без обмежень на товщину досліджуваних зразків (рис.4). Крім того, виявлено і обґрунтовано за допомогою отриманого математичного виразу та експериментальних досліджень дифракційне явище зменшення ефективного поглинання дифузного розсіювання в структурно неоднорідних кристалах саме завдяки впливу внесків розсіювання від глибинних шарів з дуже пошкодженою структурою в повну відбиваючу здатність.

У четвертому розділі досліджувалась структурна досконалість монокристалів кремнію, отриманих за методом Чохральського та безтигельної зонної плавки під дією різних фізичних факторів в умовах дії гідростатичного стискування. Застосування дії гідростатичного тиску стимулювало утворення кисневих дефектів в кремнії з гетерними властивостями. Дослідження структури велись за допомогою рентгенівських дифракційних методів в геометрії Лауе та Брега. На основі аналізу отриманих експериментальних результатів знаходились інтегральні характеристики структурної досконалості кристалів у вихідному стані і після обробок.

У першому параграфі досліджувався вплив зміни структури опромінених іонами кисню кристалів кремнію, вирощених методом безтигельної зонної плавки і відпалених при температурах розпаду твердого розчину кисню в умовах дії гідростатичного тиску на дифракцію рентгенівських променів в геометрії Брега. Кристали кремнію з порівняно малим вмістом кисню (С₀10¹⁶ см^-3) після вирощування були піддані опроміненню іонами кисню О⁺, з енергією 200 кеВ і дозами 10¹⁶10¹⁷ см^-2 і відпалювались при температурі 1130 С при варіюванні величини гідростатичного тиску (1 бар-12 кбар), що приводило до активізації процесу формування SiO_x-преципітатів в недалекому від поверхні зразка шарі. Зміни структурної досконалості зразків досліджувались раніше розробленими методами (просторовий розподіл інтенсивності, аналіз інтегральної відбиваючої здатності для рефлексів різних порядків відбиття) з використанням Ag K₁-компоненти характеристичного спектру рентгенівських променів.

На основі проведених досліджень було встановлено погіршення структурної досконалості опромінених іонами кисню монокристалів в умовах наростання величини гідростатичного тиску. Зафіксовано зростання інтегральної відбиваючої здатності та значне розширення кривих просторового розподілу інтенсивності так як і картин ізоінтенсивного дифузного розсіювання біля вузла оберненої гратки. Поява SiO_x преципітатів у кристалах була зафіксована завдяки інтенсивному дифузному розсіюванню, визваному цими дефектами, тільки поблизу шару, утвореного внаслідок імплантації. Відпал при наростаючому гідростатичному тиску додатково стимулював процес розпаду твердого розчину кисню поблизу імплантованого шару, про що свідчать зняті криві просторового розподілу інтенсивності для рефлексів низького (111- симетричне відбиття) порядку.

Другий параграф демонструє зміну інтегральних характеристик дефектів, зокрема характерного радіуса і концентрації, в монокристалах кремнію, вирощених за методом Чохральського і відпалених в області температур розчинення кисневих кластерів під дією гідростатичного стискування. Сім зразків: 1-вихідний, 2-4 - відпалені при температурі 1579 К, 5 хвилин з варіюванням тиску 1 бар - 10 кбар, 5-7 -відпалені при температурі1623 К, 30 хв з таким же варіюванням величини тиску, досліджувались за допомогою незалежних рентгенівських дифракційних методів в геометрії Лауе і Брега з використанням Cu K₁- і Ag K₁- випромінювань з метою створення дифракційних умов наближення “товстого” і “тонкого” кристалів, відповідно та аналізу нормованої на І₀ дифрагованої інтенсивності в хуангівській області спектру. Згідно рівнянь з динамічної теорії Дедерікса, знаючи статичний фактор Дебая-Валлера L і коефіцієнт додаткових втрат енергії _ds було отримано характерні радіуси r, концентрації n та потужності дефектів nr^9/2 у вихідному стані і після обробок двома незалежними підходами.

Проведені дослідження показали, що гідростатичне стискування приводить до певного гальмування процесів розчинення кисневих преципітатів в їх області ретроградного розчинення. Відбуваються процеси поглинання малих кластерів більш великими, що видно з аналізу одержаних інтегральних характеристик структурної досконалості та величин r і nr^9/2. Причому, з незначним ростом температури і часу обробки процеси сповільнення розчинення виявляються більш яскраво. Поєднання незалежних методів дослідження дефектної структури дозволило отримати близькі значення радіусів мікродефектів у вихідному стані (і ) і виявити наявність в кристалах дефектів різних розмірів, що утворились під дією гідростатичного тиску, а також визначити їх основні параметри.

В третьому параграфі за допомогою вимірювання інтегральної відбиваючої здатності для різних порядків відбиття та просторового розподілу інтенсивності (111- симетричне відбиття) по товщині для AgK₁- випромінювання досліджувались структурні досконалості бездислокаційних кристалів кремнію з низькою вихідною концентрацією домішки кисню після імплантації іонами водню з енергією 135 кеВ, дозою 610¹⁶ см^-2 та відпалу при температурі 650 С в умовах гідростатичного стискування. Величина високого тиску варіювалась в межах 1 бар-12 кбар, а час витримки при відпалі змінювався в межах 0.5-10 годин.

Виявлено дефектоутворення на глибинах, які перевищують глибину залягання захороненого шару, про що свідчить дифузне розсіювання рентгенівських променів, яке, імовірно, відбувається на водневих бульбашкоподібних порах, що виникають внаслідок швидкої дифузії водню під час відпалу імплантованих зразків. З наростанням величини гідростатичного тиску при відпалі відбувається деяке покращення структурної досконалості кристалів. Збільшення часу відпалу та величини гідростатичного тиску приводить до зменшення значень інтегральної відбиваючої здатності, R_і, та відносної долі спотвореної гратки, ₀. Гідростатичний тиск стимулює процес водневого пороутворення на значних глибинах, які відповідають глибинам формування дифракційних максимумів.

Пятий розділ присвячений дослідженню структурної досконалості бездислокаційних монокристалів кремнію, вирощених за методом Чохральського, при утворенні радіаційних SiO_x кластерів, обумовлених опроміненням високоенергетичними іонами різної хімічної активності з атомами основної матриці. Заодно наводиться порівняння дефектних структур даних кристалів, відпалених в атмосфері кисню при температурі розпаду твердого розчину кисню, та кристалів, отриманих з порівняно низькою концентрацією кисню після вирощування, які розглядались в параграфі 1 розділу 4.

В першому параграфі досліджувались спотворення структури, які виникли в кристалах кремнію, опромінених високоенергетичними іонами кисню O³⁺ і Ne³⁺ з різною хімічною активністю. Товсті (3 мм) бездислокаційні зразки кремнію були піддані опроміненню іонами кисню і неону з однаковими дозами (110¹⁴ см^-2) та енергіями (Е=4 МеВ). Для виявлення розрахованих за допомогою програми TRIM-89 спотворених зон на відповідних глибинах 50 і 48 мкм, обумовлених опроміненням, застосовувався комплекс рентгенівських методів, основними з яких були вимірювання інтегральної відбиваючої здатності для різних порядків відбиття та просторовий розподіл дифрагованої інтенсивності (рефлекс 440) в геометрії Брега.

На основі проведених наукових досліджень було встановлено докорінну відмінність дефектних структур, які виникли в кристалах після опромінення трьохкратно іонізованими іонами кисню та неону. У випадку опромінення іонами Ne³⁺ були зафіксовані поля пружних деформацій від спотвореного шару на глибині, де проходило їх гальмування, що було також підтверджено профілями кривих просторового розподілу (рис.5) та знятими інтегральними відбиваючими здатностями для різних порядків відбиття, які засвідчили відповідне погіршення структури. У випадку опромінення іонами O³⁺ з аналізу інтегральних відбиваючих здатностей було виявлено покращення, порівняно з вихідним станом, структурної досконалості кремнієвого зразка, яке, імовірно, проходить в результаті хімічної взаємодії атомів кремнію з іонами кисню в малих обємах кристалу, де утворюються радіаційні зародки фази SiO_x, які являються ефективними стоками надлишкових точкових дефектів навколо треку гальмування іонів кисню. Це вдосконалення структури було зафіксоване і просторовим розподілом інтенсивності, де було наявне відносне звуження ширини кривої просторового розподілу для цього зразка порівняно з вихідним (рис.5).

В другому параграфі йде порівняння змін структурних досконалостей кристалів кремнію, отриманих за методом Чохральського і безтигельної зонної плавки, які були опромінені іонами O³⁺, Ne³⁺ та О⁺ і відпалювались при температурах розпаду твердого розчину кисню.

За результатами проведених досліджень зафіксовані зростання інтегральних відбиваючих здатностей рентгенівських променів для брегівських рефлексів і значне розширення кривих просторового розподілу інтенсивності після високотемпературного відпалу для обох типів кристалів з різним початковим вмістом кисню. На відміну від кристалів, вирощених методом безтигельної зонної плавки, де поява SiO_x- преципітатів була відкрита завдяки інтенсивному дифузному розсіюванню на цих дефектах тільки поблизу захороненого шару, у випадку кристалів, одержаних методом Чохральського ці дефекти формувалися не тільки поблизу спотвореного шару, але і по всьому обємі зразків. Активний хід процесу преципітації в зразках, вирощених методом Чохральського, спостерігається у випадку імплантації саме хімічно активними іонами O³⁺, порівняно з випадком хімічно нейтральних іонів Ne³⁺, де за розрахунками статичного фактора Дебая-Валлера зафіксовані менші структурні спотворення.

В заключній частині сформульовані основні результати і висновки, що наведені нижче.

Основні результати і висновки роботи

1. На прикладі моделювання дифракційного експерименту для кристалів з захороненим шаром в геометрії Брега виявлено можливості аналізу глибини залягання дефектного шару, його товщини та показана аномальна видимість точкових дефектів, які знаходяться поза дельтою Бормана.

2. Виявлено можливість розділення повної відбиваючої здатності при просторовому розподілі від кристалів з рівномірно розподіленими дефектами на когерентну та дифузну складові в області х2, а також для тонких t2 кристалів, де доведено можливість здійснення кількісного та якісного структурного аналізу. Для структурно-неоднорідних кристалів, та пояснено поведінку інтерференційного коефіцієнта поглинання, яка залежить від вкладу стрибків дифузного розсіювання від дефектів у вигляді шарів.

3. Показано, що участь гідростатичного тиску при відпалі приводить погіршення структурної досконалості імплантованих іонами кисню кремнієвих монокристалів. В опромінених кристалах з малою вихідною концентрацією домішки кисню тиск сприяє до активізації процесу преципітації поблизу імплантованого шару для якого суттєвий вплив має і попередній відпал.

4. Високотемпературне гідростатичне стискування кристалів кремнію, що містять гранично можливу концентрацію міжвузлового кисню після вирощування, приводить до погіршення структурної досконалості зразків за рахунок гальмування процесу розчинення преципітатів SiO_x в області температур їх ретроградного розчинення. Наростання величини тиску приводить до зниження характерного радіуса та зростання концентрації дефектів. В процесі ліквідації вказаних мікродефектів відбувається поглинання менших преципітатів більш великими, що супроводжується зменшенням статичного фактора Дебая-Валлера. При зростанні температури і часу обробки процес розчинення кисневих преципітатів активізується.

5. За допомогою проведених рентгенівських досліджень на бездислокаційних кристалах кремнію, опромінених іонами водню і відпалених при температурі утворення водневих дефектів-пор, 650 С, виявлено значне проникнення іонів Н⁺ під дією швидкої дифузії та гідростатичного тиску. З наростанням величини тиску та часу витримки при відпалі структурна досконалість імплантованих кристалів покращується, що підтверджується спаданням величини інтегральної відбиваючої здатності, R_і, та відносної долі спотвореної гратки, ₀. Зростання хвостів дифузного розсіювання свідчить про те, що утворення водневих пор проходить на більших глибинах, ніж глибина проникнення іонів водню, обумовлена імплантацією.

6. Встановлено відмінність дефектних структур в бездислокаційних монокристалах кремнію, опромінених тричі іонізованими високоенергетичними іонами кисню О³⁺ та неону Ne³⁺, близьких енергій та мас. У випадку опромінення іонами Ne³⁺ спостерігається приповерхневий спотворений шар, а також поля деформації між шаром і матрицею, в той час як у випадку опромінення кисневих іонів О³⁺ виявлено деяке покращення структурної досконалості, імовірно, за рахунок хімічної взаємодії іонів кисню з кремнієм. В малих об'ємах кристалу, де утворюються мікроскопічні радіаційні зародки фази SiO_х за рахунок локальних нагрівів гратки, проходить стікання надлишкових точкових дефектів в області з деформованою структурою.

7. Після відпалу їх при температурах розпаду твердого розчину кисню зафіксовано погіршення структурної досконалості за рахунок преципітації, яке більш помітне у зразку, опроміненому хімічно активним киснем. Такий же відпал при опроміненні хімічно нейтральними іонами неону приводить до послаблення процесу преципітації. Хімічно активні домішки кисню створюють більш вигідні умови для появи активних центрів преципітації в середині матриці кремнію, а також самі беруть активну участь в утворенні SiO_x-преципітатів.

Основні результати дисертації опубліковані в таких наукових працях

1. Auleutner J., Datsenko L., Klad'ko V., Machulin V., Melnyk V., Prokopenko I., Bak-Misiuk J., Misiuk A. Influence of hydrostatic pressure at the temperatures about 1500 K on defect structure of Chochralski silicon. // J. of Alloys and Compounds. 1999. v. 286. p. 246-249.

2. Мачулін В.Ф., Даценко Л.І., Кладько В.П., Мельник В.М. Особливості просторового розподілу дифузного розсіювання рентгенівських променів в структурно неоднорідних кристалах. // УФЖ. 1999. т. 44, №10. с. 1234-1240.

3. Auleutner J., Datsenko L., Machulin V., Klad'ko V., Melnyk V., Prokopenko I. Structural damages in Si single crystals appearing after irradiation by high energy ions of oxygen and neon. // Acta Phys. Polonica A. 1999. v. 96, №1. р. 137-142.

4. Datsenko L., Auleutner J., Misiuk A., Klad'ko V., Machulin V., Bak-Misiuk J., Zumierska D., Antonova L.V., Melnyk V., Popov V.P., Czosnyka T. and Choinski J. Structure perfection variations of Si crystals grown by Chochralski and floating zone methods after implantation of oxygen or neon atoms followed by annealing. // Semicond. Phys., Quantum Electronics & Optoel. 1999. v. 2, №1. 56-61.

5. Григорьев Д.О., Даценко Л.И., Кладько В.П., Крыштаб Т.Г., Мачулин В.Ф., Прокопенко И.В., Мельник В.М. Топология маятниковых колебаний интенсивности в кристаллах с планарными дефектами в случае Брегг-дифракции. // Металлофизика и нов. техн. 2000. т. 22, №2. с. 58-65.

Анотація

Мельник В.М. Рентгенодифрактометричні дослідження змін структурної досконалості бездислокаційних кристалів кремнію під дією іонного опромінення, відпалу та гідростатичного тиску - рукопис.

Дисертація на здобуття кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07.-фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2000.

Робота присвячена експериментальному дослідженню закономірностей динамічної дифракції рентгенівських променів в геометрії Брега на кристалах, які містять різноманітні спотворення структури під дією різних фізичних факторів. Застосовувались методи, які базуються на вимірюванні інтегральної відбиваючої здатності та профілів просторового розподілу дифрагованої інтенсивності рентгенівських променів.

Змодельовано і експериментально перевірено поведінку дифрагованих рентгенівських променів на неоднорідно спотворених кристалах кремнію, які містять планарні дефекти у вигляді глибинних шарів, обумовлених іонною імплантацією та відпалом. За допомогою рентгенівських дифрактометричних досліджень доведено, що високотемпературне гідростатичне стискування, в цілому, погіршує стан структурної досконалості кремнієвих кристалів з різним вмістом кисню після впливу різних фізичних факторів, а саме: стимулює процес преципітації та сповільнює процес розчинення кисневих кластерів. Встановлено покращення структури кремнію після опромінення хімічно активними високоенергетичними іонами О³⁺ порівняно з вихідним станом, ніж у випадку хімічно нейтральних іонів Ne³⁺, де зафіксовано спотворений шар. Проте після високотемпературного відпалу більш активним є процес преципітації в кристалах, опромінених саме іонами кисню, який проходить по всьому обєму кристалу, збагаченого киснем після вирощування. В кристалах з порівняно малим початковим вмістом кисню цей процес активізується поблизу захороненого шару.

Ключові слова: дифракція, структурна досконалість, інтегральна відбиваюча здатність, просторовий розподіл інтенсивності, дифузне розсіювання, статфактор Дебая-Валлера, преципітація.

Аннотация

Мельник В.М. Рентгенодифрактометрические исследования изменений структурного совершенства бездислокационных монокристаллов кремния под воздействием ионного излучения, отжига и гидростатического сжатия. - рукопись.

Диссертация на соискание кандидата физико-математических наук за специальностью 01.04.07.-физика твердого тела.- Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2000.

Работа посвящена экспериментальному исследованию закономерностей динамической дифракции рентгеновских лучей в геометрии Брэгга на кристаллах, содержащих разнообразные искажения структуры под воздействием разных физических факторов. Применялись методы, основанные на измерении интегральной отражающей способности и профилей пространственного распределения дифрагированной интенсивности рентгеновских лучей.

Смоделированно и экспериментально изучено поведение дифрагированных рентгеновских лучей на неоднородно искаженных кристаллах кремния, которые содержат планарные дефекты у виде глубинных шаров, обусловленных ионной имплантацией та отжигом. При помощи рентгеновских дифрактометрических исследований доведено, что высокотемпературное гидростатическое сжатие, в целом, ухудшает состояние структурного совершенства кремниевых образцов с различным содержанием кислорода после влияния различных физических факторов, а именно: стимулирует процесс преципитации та замедляет процесс расплавления кислородных кластеров. Установлено улучшение структуры кремния после облучения химически активными высокоэнергетическими ионами О³⁺ по сравнению с исходным состоянием, чем в случае химически нейтральных ионов Ne³⁺, где обнаружено искаженный шар. Однако после высокотемпературного отжига более активизируется процесс преципитации в кристаллах, облученных именно ионами кислорода, который проходит по всему объему кристалла, обогащенного кислородом после выращивания. В кристаллах со сравнительно малым начальным содержанием кислорода этот процесс активизируется поблизости захороненного шара.

Ключевые слова: дифракция, структурное совершенство, интегральная отражающая способность, пространственное распределение интенсивности, диффузное рассеяние, статфактор Дебая-Валлера, преципитация.

Summary

Melnyk V.M. X-ray diffraction investigation of structural perfection changes of the dislocation-free silicon crystals under the influence of ion radiation, annealing and hydrostatic pressure.

The physics and mathematics candidate (Ph.D) thesis on speciality 01.04.07.-Solid State Physics. Institute of Semiconductors Physics, National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2000.

This thesis is devoted to the experimental investigation of regularities of the dynamical X-ray Bragg diffraction on crystals, containing various structural distortions under different physical factors influence. Techniques based on measuring of integrated reflectivity and profiles of diffracted intensity spatial distribution have been applied. Diffracted X-rays behavior on the inhomogeneous distorted silicon crystals, containing planar defects as deep layer resulted from ion implantation and annealing was established and experimentally tested. With the help of X-ray diffractometrical investigations it was proved that hydrostatic pressure leads to substantial lowering of structural perfection of silicon crystals containing oxygen, that is: stimulates precipitation process and decelerates the oxygen clusters dissolution process.

Silicon crystals structural improving was determined after the radiation by chemically active high-energy ions O³⁺ comparing with the initial condition more then in a case of chemically neutral ions Ne³⁺, where distorted layer is found. The precipitation process is more active in the crystals, implanted just by oxygen ions, and takes place through the volume of the oxygen enriched crystal after growing. This process becomes active near the buried-in layer in the crystals with rather small oxygen contents.

Key words: diffraction, structural perfection, integrated reflectivity, intensity spatial distribution, diffuse scattering, Debye-Waller static factor, precipitation.

Размещено на Allbest.ru