Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

01.04.07 - фізика твердого тіла

Закономірності впливу магнітних полів

на структуру та структурно-чутливі властивості кристалів кремнію

КУРИЛЮК АЛЛА МИКОЛАЇВНА

Київ - 2011

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В сучасних умовах розвитку науки і техніки актуальною стає задача як управління дефектами структури, що притаманні напівпровідниковим кристалам, так і їх практичного застосування, оскільки останні суттєво впливають на функціонування та якість напівпровідникових приладів.

Останнім часом велику увагу дослідників привернула можливість контролювати фізичні властивості слабомагнітних твердотільних матеріалів різної природи, зокрема, напівпровідникових матеріалів, використовуючи дію слабких (з індукцією В ? 1 Тл) магнітних полів. Слід відмітити, що вплив слабких магнітних полів на мікромеханіку, міцність і пластичність, а також на електрофізичні та оптичні характеристики слабомагнітних кристалів - явище незвичне. Це явище надійно встановлене експериментально, але не належить до категорії тих, що фізично просто передбачити. Незвичність його очевидна: енергія взаємодії діамагнітного кристалу і його атомних елементів з магнітним полем надзвичайно мала, і тому її внесок в високоенергетичні процеси, зокрема, в процеси, відповідальні за мікромеханіку, мізерний. Так, величина енергії, яка може передатися таким магнітним полем одному парамагнітному центру, на два порядки менша, ніж теплова енергія kT при 300 К. Припускається, що при такій малій енергії МП існування магніточутливих ефектів пов'язане не з енергією, яка передається від магнітного поля до парамагнітних центрів, а з спіновим моментом електрона, орієнтацією якого управляє магнітне поле. Ряд дослідників обґрунтовують фізичні принципи, згідно до яких основою для зміни властивостей слабомагнітних кристалів під дією слабкого магнітного поля є перебудова спінів в комплексах точкових дефектів (структурних нанокластерах), наслідком якої є послаблення і розпад хімічних зв'язків між атомами в кластерах. Таким чином, припускається, що роль магнітного поля зводиться до утворення в них проміжних спінових конфігурацій, що приводить до розпаду старих і, відповідно, до утворення нових нанокластерів. В ряді робіт встановлено, що магнітне поле впливає на розподіл та орієнтацію дефектів, що мають магнітні моменти, які виникають при вирощуванні та при різних обробках (різка, шліфовка, поліровка).

Слід зазначити, що питома вага наукових досліджень, присвячених виявленню магніточутливих явищ в монокристалах кремнію, на даний час незначна. Тому, остаточний висновок про природу магнітостимульованих ефектів в слабомагнітних кристалах, в тому числі, напівпровідникових, в теперішній час не зроблений. Враховуючи те, що фізичні механізми з'ясовані на сьогоднішній день не до кінця, здійснені в дисертаційній роботі дослідження, які передбачали одержання нових доказів і знань про роль магнітного впливу у зміні механічних, електрофізичних властивостей діамагнітних кристалів кремнію є, безумовно, важливими.

В літературі вказується на те, що додаткову інформацію про природу магніточутливих центрів і магніто-залежних явищ в слабомагнітних матеріалах можна отримати при дослідженні комбінованих впливів, які полягають в поєднанні магнітної дії та витримки зразків в умовах пониженого повітряного тиску навколишнього середовища. Для скорочення назви цієї обробки в подальшому будемо вживати термін витримка в вакуумі. В літературі досить мало окреслено це питання. В зв'язку з браком наукової інформації щодо цього одна із задач, на вирішення якої була спрямована дисертація полягала у виявленні особливостей комбінованих явищ, обумовлених поєднанням магнітної обробки та витримці в вакуумі. Загалом, проблематика, пов'язана з вивченням комбінованого впливу магнітного поля та витримки в вакуумі на фізичні властивості кремнію, актуальна, оскільки спрямована на підвищення надійності виробів мікроелектроніки в екстремальних умовах дії зовнішніх факторів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною науково_дослідної роботи кафедри фізики металів фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка за темами: 1) «Дефекти структури та їх вплив на оптичні, механічні і електрофізичні властивості напівпровідників», № 01БФ051-11, № держреєстрації 0104U003728; 2) «Фізико-хімічні основи cтворення і методи дослідження фізичних характеристик нових неоднорідних одно- та багатокомпонентних матеріалів (у тому числі монокристалічних, мікрокристалічних та наноструктурних) з перехідними та лужними металами та їх сполуками», № 01БФ051-08, № держреєстрації 0106U006358.

Мета роботи і завдання дослідження. Мета роботи полягала у встановленні закономірностей зміни мікромеханічних, електрофізичних характеристик та наноструктури кремнію в умовах дії постійних магнітних полів, модульованих магнітних полів, і мікрохвильових надвисокочастотних електромагнітних полів та комбінованого впливу магнітного поля і витримки в вакуумі, а також в аналізі одержаних результатів на основі фізичних уявлень про еволюцію дефектної підсистеми під дією зовнішніх факторів.

Для розкриття поставленої мети було передбачено вирішення наступних задач:

вивчення ролі магнітного поля у зміні структури та топології поверхні кремнію;

виявлення особливостей зміни мікротвердості кристалів кремнію при довготривалій дії слабких постійних магнітних полів,

дослідження впливу модульованих магнітних полів та мікрохвильових надвисокочастотних електромагнітних полів на мікромеханічні характеристики кристалів Si;

вивчення магнітного впливу на релаксацію фотопровідності кристалів Si;

дослідження характеру зміни магніточутливих ефектів при комбінованому впливі магнітного поля та витримки в вакуумі зразків кремнію.

Об'єкт дослідження. Використовувались вирощені за методом Чохральського і методом безтигельної зонної плавки окислені та неокислені зразки кремнію n - та р - типу провідності.

Предмет дисертаційного дослідження складає вивчення можливості модифікації наноструктури та зміни структурно-залежних властивостей кристалів кремнію за допомогою магнітних полів та комбінованого впливу магнітних полів та витримки в вакуумі зразків кремнію.

Методи дослідження. У дисертації використано такі методи дослідження:

1) для дослідження мікромеханічних властивостей - метод мікроіндентування;

2) для дослідження електрофізичних властивостей - кінетика релаксації фотопровідності;

3) для дослідження структурної досконалості кристалів - метод трикристальної рентгенівської дифрактометрії;

4) для дослідження топології поверхні кристалів кремнію після обробок - метод атомно-силової мікроскопії;

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

Вперше виявлені і проаналізовані стимульовані магнітним впливом зміни структури та топології поверхні Si.

Встановлені особливості зміни мікротвердості кристалів кремнію при тривалій магнітній обробці в слабкому постійному магнітному полі, а також при дії модульованого магнітного поля і мікрохвильових надвисокочастотних полів.

Вивчені особливості зміни мікротвердості в кристалах Si при комбінованій дії магнітного поля та витримки в вакуумі зразків кремнію.

Досліджена кінетика релаксації фотопровідності кристалів кремнію в зовнішніх магнітних полях.

Практичне значення одержаних результатів. В результаті виконання дисертації сформульована концепція пов'язана з модифікацією наноструктури в кристалах кремнію, викликаною як магнітною дією, так і комбінуванням магнітного поля та витримки в вакуумі зразків кремнію. Ця концепція може бути застосована і врахована при виготовленні та експлуатації напівпровідникових нано- і мікроелектронних приладів. Конкретна фундаментальна задача, яку вирішує дисертація, полягає у розробці основних фізичних принципів цілеспрямованого активного керування наноструктурою та структурно-чутливими фізичними властивостями кремнію за допомогою магнітного поля.

Особистий внесок здобувача. В роботах, які стосуються теми дисертації та опублікованих в співавторстві, автору належить проведення експериментів по вимірюванню мікротвердості до і після застосування зовнішніх впливів. Автору належить участь в плануванні експериментів. Дослідження кінетики релаксації фотопровідності проводились із залученням методичної бази канд. фіз._мат. наук Подоляна А. О. (кафедра загальної фізики, фізичний факультет Київський національний університет імені Тараса Шевченка). Дослідження топології поверхні проводились із залученням методичної бази канд. фіз._мат. наук Черепова С. В. (інститут магнетизму НАН України). Дослідження структури проводились із залученням методичної бази канд. фіз._мат. наук Теселька П. О. (кафедра фізики металів, фізичний факультет Київський національний університет імені Тараса Шевченка).

Апробація результатів дисертації. Основні результати та висновки дисертації доповідалися та обговорювалися на конференціях: Международная конференция «Взаимодействие излучения с веществом и ее применение в технологии 2006» (Литва, г.Каунасс, сентябрь 2006); XVII Петербургские чтения по проблемам прочности (Россия, г.Санкт-Петербург, апрель 2007); International Conference “Nanomeeting-2007” (Physics, Chemistry and Application of Nanostructures) (Belarus, Minsk, May 2007); Международная научно-техническая конференция „Повышение качества, надежности и долговечности технических систем и технологических процессов“ (Єгипет, г.Хургада, декабрь 2007); Материалы конференции XLVII Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Россия, г.Нижний Новгород, июль 2008); Material of the International Symposium RA08 “Rare attractors and rare phenomena in nonlinear dynamics” (Latvia, Riga, September 2008); Пятая Международная конференция «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий» (Украина, Крым, Жуковка, сентябрь 2008); Міжнародної науково-практичної конференції «Структурна релаксація у твердих тілах» (Україна, м.Вінниця, травень 2009).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у 10 статтях у фахових наукових журналах та 8 тезах у збірниках праць міжнародних конференцій. Перелік публікацій наведено в кінці дисертаційної роботи.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації 133 cторінки. Робота проілюстрована 39 рисунками та 4 таблицями. Список використаних джерел містить 112 посилань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

наноструктура кристал кремній магнітний

У вступі обґрунтована актуальність обраної теми, сформульована мета та задачі роботи, представлено об'єкт, предмет та методи досліджень, зазначена новизна та практичне значення одержаних результатів, наведено інформацію щодо апробації результатів дослідження та публікацій за темою дисертації, окреслено особистий внесок автора.

У першому розділі висвітлено огляд літературних даних про вплив магнітного поля на структуру та фізичні властивості слабомагнітних кристалів.

Значна увага в літературному огляді приділена розгляду ефектів, які виникають при дії слабкого постійного магнітного поля, імпульсного магнітного поля, мікрохвильового надвисокочастотного поля.

Аналіз більшості робіт, представлених в літературі, дозволяють впевнено констатувати, що слабке магнітне поле здатне впливати на фізичні властивості немагнітних кристалів завдяки наявності в них структурних дефектів. У слабомагнітних матеріалах існують як магнітні ефекти in situ (наприклад, магнітопластичний ефект), так і постефекти - тимчасова та постійна „пам'ять” про їх експозицію в магнітному полі. Відмічається, що як пороговий характер, так і насичення по магнітному полі безпосередньо свідчить про селективний вплив магнітного поля на певні дефекти в кристалі.

На думку багатьох авторів магнітомеханічні ефекти пояснюються, в першу чергу, впливом магнітного поля на парамагнітні іони, які практично завжди присутні в кристалах у вигляді неконтрольованих домішок, і, якщо ці іони стабілізують певні елементи існуючої в кристалах квазірівноважної реальної структури, то магнітна дія є тим поштовхом, який призводить до перебудови вихідної реальної структури, що і спостерігається на експерименті.

При дії магнітного поля має місце порушення квазістійкого метастабільного стану в локальних ділянках кристалів, що приводить, зокрема, до дифузії домішок з об'єму до поверхні. В кристалах, особливо, на поверхні і в приповерхневому шарі, також починають протікати твердотільні реакції за участю домішок, інших дефектів та компонентів атмосфери.

Експериментальні дослідження представлені в літературі, доводять можливість модифікації властивостей дефектів та параметрів решітки в слабомагнітних кристалах під дією зовнішнього магнітного поля. В ряді робіт для опису впливу магнітного поля на механічні характеристики кристалів запропоновано механізм, суть якого полягає в тому, що магнітне поле стимулює зміну орієнтації магніточутливих дефектів в кристалі, які можуть взаємодіяти між собою та зовнішнім полем, зумовлюючи зміну характеристик матеріалу.

Електрони, локалізовані в області дефектів, створюють високі значення локальної електронної густини. По цій причині, в порушених областях встановлюються поля випадкових величин намагніченості. Між неоднорідно намагніченими областями буде діяти сила, величина якої визначається градієнтом магнітної енергії:

,(1)

де dV-елемент об'єму. Під дією вказаної сили неоднорідний розподіл електронів по зразку буде вирівнюватись, що, в свою чергу, з часом і приводить до перерозподілу домішок та еволюції дефектів. Останнє повинно зменшувати часи долання дислокаціями структурних дефектів, що і відповідає зменшенню мікротвердості кристалів кремнію.

Згідно сучасних поглядів, розвинутих в літературі, різноманітні структурні недосконалості реальних кристалів - точкові дефекти, їх комплекси, дислокації, поверхні та інші - мають нескомпенсовані спіни і можуть вступати в спін-залежні реакції. Стимуляція твердотільних міждефектних реакцій дозволяє виявити і спостерігати спін-залежну компоненту взаємодії в умовах прикладеного зовнішнього магнітного поля. Слабкі магнітні поля можуть викликати зміну швидкостей відповідних реакцій і, відповідну зміну структури, а також кінетичних властивостей твердих тіл, фотопровідності, люмінесценції та пластичності.

Таким чином, вважається, що магнітне поле може ефективно діяти тільки на нерівноважні спінові системи, що проходять в своїй еволюції через короткоживучі збуджені стани. Останнє впливає на поведінку дефектної структури, зокрема на міцність хімічних зв'язків в комплексах точкових дефектів, отже, і на зміну швидкості переміщення лінійних дефектів в полі зовнішніх сил.

Слід відмітити, що, не дивлячись на актуальність задачі, пов'язаної з впливом слабких магнітних полів на фізичні характеристики кремнію даний науковий напрямок досліджений на сьогоднішній день явно недостатньо.

В першому розділі аналізуються також наявні в літературі дослідження комбінованих впливів магнітного поля та витримки зразків в вакуумі. Відзначено, що витримка зразків в вакуумі цілком здатна змінити як реальний стан поверхні кремнію, так і її адсорбційні властивості, а отже, здатна змінити фізичні характеристики приповерхневих шарів кремнію.

Другий розділ присвячений опису досліджуваних зразків, висвітленню методик вимірювання та опису відповідних установок, які використовувались для дослідження фізичних властивостей та структури кристалів кремнію.

Досліджувані в роботі зразки піддавались магнітній обробці, а також витримці в вакуумі зразків при тиску Р=10^_2ч10^_1 мм.рт.ст. протягом 3 та 8 діб. Партія зразків піддавалась комбінованій дії магнітній обробці та витримці в вакуумі в різній послідовності. В роботі використовувались кристали монокристалічного кремнію n- та р-типу провідності з орієнтацією (111), вирощені методом Чохральського та методом безтигельної зонної плавки. Магнітна обробка здійснювалась в магнітних полях різних типів і полягала у витримці зразків протягом певного часу в слабкому постійному магнітному полі з індукцією В=0.17 Тл або в модульованому магнітному полі з частотою f=100 Гц, індукція якого змінювалась в межах В=0.03-0.33 Тл. Вказане поле створювалось шляхом пропускання через обмотку електромагніту електричного струму, що являвся суперпозицією постійної компоненти та меншої за амплітудою змінної складової у формі циклоїди. Частотний спектр такого сигналу містив гармоніки з частотами, кратними до частоти струму промислової мережі.

Окремі партії зразків Si піддавались дії мікрохвильового надвисокочастотного електромагнітного поля. Частота випромінювання варіювалась в діапазоні f=38-53 ГГц, що відповідає міліметровому діапазону довжин хвиль (=68 мм).

В наших експериментах вивчалась відносна зміна мікротвердості кристалів кремнію після обробки:

(2)

де Н₀ - мікротвердість вихідних зразків Si; Н - мікротвердість зразків Si після відповідної обробки.

В роботі основними були наступні методи досліджень: метод атомно-силової мікроскопії був використаний для дослідження топології поверхні кристалів кремнію, метод трикристальної рентгенівської дифрактометрії використовувався для дослідження структурної досконалості кристалів, метод вимірювання фотопровідності - для дослідження електрофізичних властивостей, метод мікроіндентування - для дослідження мікромеханічних властивостей.

У третьому розділі представлені результати досліджень, пов'язані з впливом слабких постійних магнітних полів, модульованих магнітних полів, а також комбінованих впливів магнітного поля та витримки зразків в вакуумі на структурний стан поверхневих шарів кремнію та їх фізичні характеристики.

Одержані за допомогою методу трикристальної рентгенівської дифрактометрії експериментальні залежності та розрахунки на їх основні статичного фактора Дебая-Валлера L показали, що після обробки зразків у магнітному полі статичний фактор Дебая-Валлера зменшується в залежності від типу магнітної обробки з 2.98 до 2.66ч2.45. Зменшення фактора Дебая-Валлера найімовірніше вказує на деяке впорядкування та на зменшення внутрішніх напружень в приповерхневих шарах кристалів кремнію.

Вплив магнітного поля на модифікацію поверхні кристалів кремнію було підтверджено за допомогою методу атомно-силової мікроскопії. Залучення методу атомно-силової мікроскопії показало, що обробка кристалів кремнію в магнітному полі приводить до зменшення як розмірів, так і поверхневої концентрації первісних рельєфних виступів на поверхні (рис. 1).

Було побудовано профілограми, які відображали топологію поверхні досліджуваних зразків Si і розраховано параметри шорсткості, які характеризують стан поверхневого рельєфу.

a)	б)
Рис. 1. Двовимірні зображення стану поверхні кристалів кремнію, отримані методом атомно-силової мікроскопії відразу після завершення магнітної обробки: а) структура поверхні вихідних зразків кремнію; б) структура поверхні зразків кремнію знята зразу після завершення обробки в постійному магнітному полі (B=0,17 Тл; tМО=7 діб).

Розрахунки показали, що середнє значення параметра шорсткості для контрольних зразків складає величину 4 нм. В той же час для зразків Si, що пройшли обробку в постійному магнітному полі, параметр шорсткості в ряді випадків досягає значень в 20 (і навіть більше) нанометрів. Для зразків кремнію, що пройшли обробку в модульованому магнітному полі, параметр шорсткості в середньому зростає до 180 нм, а після дії на зразки кремнію мікрохвильового надвисокочастотного поля параметр шорсткості збільшується до 140 нм.

Таким чином, отримані за допомогою методу атомно-силової мікроскопії зображення прямо вказують на реальний вплив магнітного поля на структуру та рельєф поверхні кремнію.

В роботі було досліджено також вплив слабкого постійного магнітного поля на зміну концентрації парамагнітних центрів в кристалах Si. Максимальна інтенсивність виявленої спектральної лінії, яка належить р_в-центрам, після дії магнітного поля зменшується приблизно в 1.5 рази. Як відомо, р_в-центри ототожнюються з розірваними зв'язками Si в приповерхневому шарі. Зменшення інтенсивності спектральної лінії електронного парамагнітного резонансу вказує на зменшення концентрації парамагнітних р_в-центрів в результаті дії магнітного поля. Останнє можна пояснити тим, що магнітне поле ініціює адсорбційні процеси в поверхневих шарах Si внаслідок підвищення хімічної активності поверхні зразків. Стимульовані магнітним полем міждефектні реакції в кремнії приводять до того, що обірвані в поверхневих шарах зв`язки Si (р_в-центри) пасивуються домішками, що виходять на поверхню з об'єму кристалу, а також адсорбуються на ній з оточуючого середовища, внаслідок чого концентрація обірваних зв'язків зменшується. Збільшення концентрації атомів вуглецю в поверхневих шарах Si після магнітної обробки було зафіксовано в наших дослідах методом рентгеноспектрального аналізу. Цікаво відмітити, що, як видно з таблиці 1, зростання концентрації атомів вуглецю супроводжується зменшенням на ту ж величину концентрації атомів кисню.

Таблиця 1. Вміст вуглецю, кисню та кремнію в досліджуваних зразках до початку та після завершення магнітну обробку в модульованому магнітному полі.

№ п/п	Зразок	Вагові відсотки, %
		С	О	Si
1	контрольний кремній	2,67	0,33	97,00
2	кремній, що пройшов магнітну обробку в модульованому магнітному полі	12,79	0,00	87,21
3	кремній, що пройшов магнітну обробку в модульованому магнітному полі	11,59	0,93	87,48
4	кремній, що пройшов магнітну обробку в модульованому магнітному полі	5,54	0,00	94,46
5	кремній, що пройшов магнітну обробку в модульованому магнітному полі	7,26	0,00	92,74

*Примітка: пункти 2-5 таблиці 1 відносяться до вимірів, здійснених з різних ділянок поверхні.

Таким чином, результати представлені в таблиці 1 дозволяють стверджувати, що витіснені з приповерхневих шарів кристалів в процесі магнітної обробки атоми кисню заміщуються атомами вуглецю. Це однозначно підтверджує, що підсистема домішкових атомів кристалів Si в процесі їх магнітної обробки зазнає суттєвих змін.

Методом атомно-силової мікроскопії було встановлено, що після завершення дії магнітного поля на поверхні зразків протікають процеси структурної релаксації, тобто наближення структури поверхні до первісного стану (рис. 2). Останнє природно супроводжується зменшенням концентрації рельєфних виступів до вихідних значень. Це свідчить про те, що стимульовані магнітним полем процеси структурної релаксації є оборотними.



Рис. 2. Двовимірні зображення стану поверхні кристалів кремнію, отримані методом атомно-силової мікроскопії відразу після завершення магнітної обробки: структура поверхні зразків кремнію знята через 3 місяці після завершення магнітної обробки (B=0,17 Тл; t_МО=7 діб).

В третьому розділі висвітлено також результати дослідження впливу магнітного поля на мікромеханічні властивості монокристалічного кремнію.

Виявлене раніше зменшення мікротвердості кристалів Si після дії на них слабкого (0,2 Тл) постійного магнітного поля було визначене дослідниками як магнітомеханічний ефект. Характерною особливістю встановленого магнітомеханічного ефекту було те, що при коротких часах магнітної обробки (t_МО?7 діб) магнітомеханічний ефект швидко (протягом 5 діб) релаксував до нуля. В даній роботі були вивчені характеристики магнітомеханічного ефекту при значній пролонгації часу магнітної обробки зразків. Проведені дослідження в широкому інтервалі часів магнітної обробки дозволили встановити, що із збільшенням часу магнітної обробки величина магнітомеханічного ефекту зростає до 23 %, виходячи на насичення при часах магнітної обробки t_МО?7 діб (рис. 3). Тобто суттєве подовження часу магнітної обробки (до 300 діб) практично не позначається на величині магнітомеханічного ефекту, що фіксувалася відразу після завершення магнітної обробки, але впливає на час релаксації ефекту після вилучення зразків кремнію з магнітного поля (криві 2, 3 на рис. 4).

Для визначення часу релаксації відносної мікротвердості кремнію після дії постійного магнітного поля різної тривалості, експериментальні дані ?H/H₀(t) (рис. 4) апроксимувались експоненційними залежностями в вигляді:

(3)

де - відносна мікротвердість в початковий момент часу, ф- час релаксації. Визначені таким чином характерні часи релаксації відносної мікротвердості кремнію після дії постійного магнітного поля дорівнюють: ф?2.3 год (крива 1), ф?27 год (крива 2) та ф?38.2 год (крива 3). Крім того, для кривої 3 досить вагомим є залишкове значення відносної мікротвердості (A₁?14.2 %), тоді як для двох інших кривих ця величина практично дорівнює нулю.

Рис. 3. Залежність відносної мікротвердості від часу витримки зразків кремнію в постійному магнітному полі: B=0,17 Тл.	Рис. 4. Релаксація відносної мікротвердості кремнію після дії постійного магнітного поля тривалістю 7 діб (1), 124 доби (2), 300 діб (3).

Виявлені магніточутливі ефекти можна пояснити як в рамках припущення про неоднорідний розподіл по кристалу домішкових магнітних центрів, так і за механізмом, який випливає з спінової електронної теорії.

В рамках першого механізму виявлені магніточутливі ефекти можна пов'язати із перерозподілом домішок під дією сили, індукованої неоднорідністю магнітної енергії в кристалі кремнію. При поміщенні кремнієвого зразка в зовнішнє магнітне поле, в кристалі відбувається впорядкування орієнтації магнітних моментів домішкових центрів. Внаслідок нерівномірного розташування центрів в приповерхневому шарі всередині досліджуваного зразка з'явиться вбудоване неоднорідне магнітне поле, що є сумою прикладеного зовнішнього поля та поля, створюваного магнітними центрами: . Наявність градієнту магнітного поля зумовлюватиме появу сили, що діятиме на магнітні моменти. Величина цієї сили визначається градієнтом магнітної енергії . Можна припустити, що під дією вказаної сили в приповерхневій області кристалу може відбуватись перерозподіл домішок, що мають магнітні моменти. Це означає, що дефекти чи комплекси дефектів в Si можуть змінювати своє положення, тобто відбувається перебудова дефектної структури, яка виявляється в експериментах за зміною мікротвердості кристалів Si.

Для якісного опису запропонованого механізму, в роботі розглядалась теоретична модель, суть якої полягала в наступному. Кремнієвий зразок з магнітними домішками представлявся як сукупність точкових магнітних центрів, хаотично розміщених в деякій матриці. Концентрація центрів біля поверхні в цій моделі становила 10¹⁵ см^-3 та експоненційно спадала вглиб зразка.

Магнітне поле всередині зразка розраховувалось як суперпозиція зовнішнього магнітного поля та сумарного поля всіх магнітних центрів:

,(4)

де м₀ - магнітна стала, - магнітний момент j-го центру, - радіус-вектор магнітного центру. У зовнішньому магнітному полі орієнтація магнітних моментів кожного центру співпадає з напрямком (||).

Повна енергія розглядуваної системи магнітних центрів у зовнішньому магнітному полі може бути обчислена як:

, (5)

де E_зовн - енергія зовнішнього магнітного поля, - одиничний вектор в напрямку від i-го центру до j-го.

Оскільки - неоднорідне, то всередині зразка існуватиме градієнт енергії E, що приводитиме до виникнення деякої сили, яка й буде зумовлювати перерозподіл домішок поблизу поверхні: .

Було розраховано якісну картину розподілу градієнту магнітної енергії вказаної системи, з якої випливає, що максимальне значення градієнту, а, отже, і сили спостерігається поблизу поверхні. Крім того, аналіз отриманих даних свідчить про те, що вектор сили, яка діє на магнітні моменти атомів спрямований в напрямку з об'єму до поверхні кристалу.

В спін-залежній електронній теорії припускається, що магнітне поле може стимулювати протікання спін-залежних процесів в комплексах точкових дефектів. В основі цих процесів лежить спінова конверсія, яка приводить до зміни спінової конфігурації в нанокластерах. Наслідком зміни спінової конфігурації в структурних нанокластерах є послаблення та розпад хімічних зв'язків. Зокрема, в результаті розпаду хімічних зв'язків в оксидних (SiO_x) преципітатах утворюються домішкові точкові дефекти, які мігрують в полях пружних напружень в приповерхневій області напівпровідника і вступають в твердотільні міждефектні реакції з іншими дефектами решітки, в тому числі власними. Протікання цих реакцій призводить до утворення нових комплексів, зокрема, киснево-вакансійних комплексів, відомих в літературі як А-подібні дефекти. Зв'язування ізольованих вакансій в киснево-вакансійні комплекси О-V, а також пасивація розірваних (напружених) зв'язків кремнію приводить до зниження рівня внутрішніх напружень та до зменшення мікротвердості. Одержані в роботі результати вказують на те, що характер спін-залежних процесів, які протікають в нанокластерах структурних дефектів, визначається типом магнітного поля. Суттєве скорочення часу магнітної обробки у випадку модульованого магнітного та надвисокочастотного полів в порівнянні з магнітною обробкою в постійному магнітному полі, свідчить проте, що спінова конверсія в нанокластерах структурних дефектів у постійному магнітному полі та модульованому магнітному полі відбувається за різними механізмами.

Було встановлено, що домінуюча роль у стимульованому магнітним полем процесі структурної релаксації, який, власне, і викликає появу магнітомеханічного ефекту, належить кисню. Підтвердженням цього є додаткові експериментальні дані, які були одержані нами на окислених кристалах кремнію та на кристалах Si, вирощених по методу безтигельної зонної плавки. Так показано, що в окислених кристалах величина магнітомеханічного ефекту залежить від товщини окисного покриття. Слід зазначити, що концентрація кисню в кристалах Si, вирощених по методу безтигельної зонної плавки ~ на 2 порядки нижча, ніж у кристалах Si, вирощених за методом Чохральського. Ця обставина призводить до того, що максимально можлива величина магнітомеханічного ефекту в кристалах Si, вирощених по методу безтигельної зонної плавки складає ~ 15 %, тобто ~1.5 рази нижче, ніж у кристалах Si, вирощених за методом Чохральського.

В даному розділі викладені також експериментальні результати, які дозволили встановити закономірності у зміні мікротвердості як при впливі ВВ зразків кремнію, так і при комбінуванні цієї витримки з наступною магнітною обробкою. Було встановлено, що витримка зразків кремнію в вакуумі теж приводить до ефекту зменшення мікротвердості. При цьому зі збільшенням часу витримки зразків кремнію в вакуумі спостерігається зростання зазначеного ефекту.

Зменшення мікротвердості, яке спостерігається після витримки зразків кремнію в вакуумі, пов'язується з процесами формування складних оксидів (Si_xO_yC_1-x-y), що виникають в результаті зміни атмосферного тиску до рівня тиску залишкових газів в вакуумній камері на поверхню кремнію. Як відомо, твердість цієї плівки суттєво менша за твердість плівки природного оксиду SiO₂, що звичайно покриває плівку кремнію при нормальному атмосферному тиску.

Цікаво, що ефект зменшення мікротвердості в кристалах кремнію, викликаний попередньою витримкою зразків в вакуумі, є досить стійким і наступна витримка зразків в атмосферних умовах (при кімнатній температурі) не приводить до зростання мікротвердості. Стійкість ефекту зменшення мікротвердості свідчить про те, що сформована на поверхні зразків Si плівка Si_xO_yC_1-x-y є стабільною і формування нового поверхневого шару плівки SiO₂ не відбувається.

Результати, що стосуються комбінованих впливів (магнітного поля та витримкою зразків кремнію в вакуумі) засвідчили, що комбінування магнітної обробки та витримки зразків кремнію в вакуумі приводить до зростання часу існування магнітомеханічного ефекту. Останнє свідчить про те, що релаксація магнітомеханічного ефекту прискорюється в кисневомісткому середовищі і сповільнюється в умовах вакууму. При цьому кінетика релаксації магнітомеханічного ефекту залежить від послідовності комбінованих впливів. Імовірно, поверхня Si після комбінованого впливу магнітного поля та витримки зразків кремнію в вакуумі є більш активованою в порівнянні зі ступенем активації поверхні Si після комбінованого впливу витримки зразків кремнію в вакуумі та магнітного поля. Ця обставина приводить до посилення перебігу процесів адсорбції та гетерування. Не виключено, що при комбінованому впливі магнітного поля та витримки зразків кремнію в вакуумі велика кількість прогетерованих і адсорбованих магнітоактивованою поверхнею хімічних елементів приведе до зв'язування цими елементами великої кількості метастабільних А-подібних дефектів, що з'явилися в результаті дії магнітного поля. Останнє обумовлює утворення суттєвої кількості «нових» стійких комплексів точкових дефектів і забезпечує більш тривалу (до 20-ти діб) пролонгацію існування магнітомеханічного ефекту при комбінованому впливі МП з послідуючою витримкою зразків в вакуумі, в порівнянні з комбінованим впливом в іншій послідовності витримки зразків кремнію в вакуумі з наступною дією магнітного поля, при якому магнітомеханічний ефект існує протягом ~7-ми діб, тобто протягом того ж часу, що і звичайний магнітомеханічний ефект (без попередньої витримки зразків кремнію в вакуумі).

В четвертому розділі висвітлюються результати експериментальних досліджень по вивченню зміни мікротвердості кристалів кремнію при дії модульованих магнітних полів та мікрохвильових надвисокочастотних полів.

В даному розділі описані ефекти зміни мікротвердості в кристалах кремнію під дією модульованого магнітного поля з різною величиною магнітної індукції. Одержані результати вказують на те, що хоча максимальна величина магнітомеханічного ефекту в цьому разі не змінюється (по відношенню до цієї величини після витримки в постійному магнітному полі), а також відсутня залежність цієї величини від індукції модульованого магнітного поля, в діапазоні 0.03-0.33 Тл все ж таки вдається виявити ряд суттєвих відмінностей характеристик магнітомеханічного ефекту, що виникає під впливом цього типу магнітної обробки в порівнянні з дією постійного магнітного поля. По-перше, величина ефекту досягає максимальних значень при значно менших часах витримки зразків (30 хвилин) в модульованому магнітному полі та надвисокочастотних полях і, по-друге, часи релаксації величини мікротвердості при цій обробці суттєво зростають. Також було встановлено, що величина відносної мікротвердості, тобто величина виявленого магнітомеханічного ефекту зростає із збільшенням частоти мікрохвильового надвисокочастотного поля лінійним чином (в діапазоні 38-53 ГГц).

Кінетика зміни величини магнітомеханічного ефекту є суттєво нелінійною (рис. 5). Важливим є те, що після завершення впливу мікрохвильового надвисокочастотного поля магнітомеханічний ефект змінюється монотонно і протягом певного часу ( 30 діб) релаксує до деякого залишкового значення магнітомеханічного ефекту (рис. 7). Час релаксації магнітомеханічного ефекту, отриманий шляхом апроксимації експериментальних даних на рис. 6 залежністю (3) складає ф?32 год при залишковому ефекті близько 14.8 %.

Рис. 5. Залежність відносної мікротвердості зразків кремнію від тривалості дії надвисокочастотного поля: f=53 ГГц.	Рис.6. Залежність відносної мікротвердості зразків кремнію від часу, що пройшов після завершення впливу надвисокочастотного поля: f=53,0 ГГц, tНВЧ=120 хв.

В роботі було встановлено взаємозв'язок між викликаною магнітною обробкою модифікацією структури приповерхневих шарів кремнію та зміною його структурно-чутливих електрофізичних характеристик, зокрема, характеристик релаксації фотопровідності.

У процесі вимірів і розрахунків, проведених в роботі, було встановлено, що релаксація фотопровідності у контрольних зразках характеризується однією короткотривалою компонентою (ф₁=17,37 мкс). В той час як кінетика спаду фотопровідності у(t) для всіх партій зразків, які пройшли магнітну обробку, має особливості і характеризується двома компонентами релаксації - короткотривалою (ф₁=16,20 мкс для обробки в постійному магнітному полі та ф₁=16,41 мкс в модульованому магнітному полі) та довготривалою (відповідно, ф₂=161 мкс в постійному магнітному полі та ф₂=230 мкс в модульованому магнітному полі), а одержані експериментальні дані досить добре можна апроксимувати залежністю:

(6)

де у₀ - провідність зразка у відсутність світла; (у₀ + у₁ + у₂) - провідність зразка при включеному освітленні; t - час. Наявність довготривалої компоненти фотопровідності (ф₂) в кристалах кремнію після магнітної обробки може бути пов'язана з появою рекомбінаційного бар'єра, обумовленого сильним вигином зон біля поверхні Si.

Одержані в роботі результати є цікавими не лише з точки зору фундаментальної науки, але й з практичної точки зору. Дійсно, виявлені та досліджені в роботі ефекти свідчать про те, що за рахунок впливу слабких магнітних полів на комплекси структурних дефектів можна здійснювати управління мікромеханічними, електрофізичними та іншими характеристиками кристалів кремнію. Це дає можливість створювати напівпровідникові матеріали з прогнозованими властивостями.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Вивчені закономірності впливу обробок кристалів кремнію в слабких постійних та модульованих магнітних полях, а також в надвисокочастотних електромагнітних полях на структурну досконалість, перерозподіл домішок в приповерхневих шарах. За допомогою методу трикристальної рентгенівської дифрактометрії встановлена зміна фактора Дебая-Валлера, яка свідчить про суттєве впорядкування атомної структури приповерхневого шару. За допомогою методу рентгеноспектрального аналізу показано, що магнітна дія впливає на домішковий склад приповерхневих шарів, суттєво зменшуючи в них концентрацію кисню та збільшуючи концентрацію домішок вуглецю.

2. Запропоновано напівкількісну модель, яка базується на розрахунку повної енергії системи неоднорідно розподілених парамагнітних центрів кристалу, що перебуває в зовнішньому магнітному полі і дозволяє визначити силу, що діє на домішкові магнітні центри, що обумовлює перерозподіл домішок в зразках.

3. Методом атомної силової мікроскопії вивчений вплив постійного та модульованого магнітного поля, а також надвисокочастотного електромагнітного поля на морфологію поверхні кристалів кремнію. Встановлено, що в результаті магнітної обробки відбувається зміна рельєфу поверхні: зменшується поверхнева густина неоднорідностей (острівців) розмірами порядку декілька мікрометрів з одночасним зростанням висоти вказаних острівців. За побудованими профілограмами АСМ зображень виявлено зростання параметру шорсткості поверхні Si після магнітної обробки.

4. Показано, що тривала витримка зразків кремнію в лабораторних умовах (на повітрі) після припинення дії постійного магнітного поля призводить до поновлення вихідної морфології поверхні кремнію. Вказані процеси релаксації супроводжуються відповідно релаксацією параметра шорсткості. Отримані експериментальні дані свідчать про оборотний характер стимульованих магнітним впливом змін в морфології поверхні зразків.

5. Методом електронного парамагнітного резонансу після дії на кристали Si модульованого магнітного поля був встановлений ефект зменшення концентрації парамагнітних p_в-центрів (обірваних міжатомних зв'язків), що обумовлений пасивацією домішками обірваних міжатомних зв'язків. Останнє може бути однією з причин перерозподілу точкових дефектів в приповерхневих шарах кремнію.

6. Встановлено, що модульоване магнітне поле викликає появу магнітомеханічного ефекту (ефекту зміни мікротвердості в результаті магнітного впливу), максимальна величина якого не залежить від величини індукції модульованого магнітного поля (в інтервалі В=0,03-0,33 Тл) і виникає при мінімально можливих в наших експериментальних умовах часах магнітної обробки (t_МО= 1 хв) на противагу обробці в постійному магнітному полі, в якому латентний час, необхідний для появи максимальної величини магнітомеханічного ефекту досягає 7 діб.

7. В роботі була встановлена суттєва відмінність в кінетиці релаксації магнітомеханічного ефекту після обробки зразків в постійному та модульованому магнітних полях. Було показано, що кінетика релаксації магнітомеханічного ефекту після обробки зразків в постійному магнітному полі описується кривими спаду, що мають експоненційний характер, в той же час як кінетика релаксації магнітомеханічного ефекту після дії модульованого магнітного поля описується подібними кривими, але з іншими характерними часами релаксації та наявністю залишкового магнітомеханічного ефекту.

8. Виявлено, що витримку зразків в вакуумі можна використовувати як фактор управління характером релаксації магнітомеханічного ефекту. Встановлено, що релаксація магнітомеханічного ефекту прискорюється в кисневомісткому середовищі і сповільнюється при витримці зразків в вакуумі.

9. Виявлений суттєвий вплив концентрації міжвузельних домішкових атомів кисню на величину та характер релаксації магнітомеханічного ефекту. Показано, що максимально можлива величина магнітомеханічного ефекту в кристалах Si, вирощених по методу безтигельної зонної плавки в 1.5 рази нижча, ніж у кристалах Si, вирощених за методом Чохральського. Зменшення величини магнітомеханічного ефекту в кристалах кремнію, вирощених методом безтигельної зонної плавки добре корелює із зменшенням концентрації домішкового кисню в цих кристалах в порівнянні з значенням цієї характеристики для кристалів Si, вирощених по методу за методом Чохральського.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Зміна мікротвердості кристалів кремнію в магнітних полях з різною індукцією / В.А. Макара, Л.П. Стебленко, А.М. Курилюк, Ю.Л. Кольченко, С.М. Науменко, О.В. Матвєєва, О.М. Кріт // Вісник Київського університету, Серія: фізико-математичні науки. - 2006. - №4. - C.444-448.

2. Silicon crystals strength reduction due to magnetoresonance / V.A.Makara, A.M.Pogorilyi, L.P.Steblenko, A.M.Kuryliuk, S.M.Naumenko, Yu.L.Kobzar, A.F.Kravets, D.I.Podyalovsky, O.V.Matveeva // Functional materials. - 2007. - Vol.14, No.2. - P.192-194.

3. Вызванные действием магнитного поля изменения примесного состояния и микротвердости кристаллов кремния / В.А. Макара, М.А. Васильев, Л.П. Стебленко, О.В. Коплак, А.Н. Курилюк, Ю.Л. Кобзарь, С.Н. Науменко // ФТП. - 2008. - Т.42, №9. - C.1061-1064.

4. Вплив надвисокочастотного електромагнітного випромінення на мікромеханічні властивості монокристалічного кремнію / В.А. Макара, Л.П. Стебленко, А.М. Курилюк, С.М. Науменко, Ю.Л. Кобзар, А.В. Якунов, О.І. Ніжельська // Металлофизика и новейшие технологии. - 2008. - Т.30, №2. - C.235-246.

5. Зміна характеру релаксації магнітомеханічного ефекту в умовах комбінованого впливу магнітної та вакуумної обробок / В.А. Макара, Л.П. Стебленко, А.М. Курилюк, О.В. Коплак, С.М. Науменко, Ю.Л. Кобзар, В.Я.Дегода, Г.В. Весна // Вісник Київського університету, Серія: фізико-математичні науки. - 2008. - №8-9. - C.71-76.

6. Зміна мікротвердості окислених кристалів кремнію в процесі їх магнітної обробки / В.А. Макара, Л.П. Стебленко, А.М. Курилюк, О.В. Коплак, С.М. Науменко, Ю.Л. Кобзар, О.М. Кріт // Металлофизика и новейшие технологии. - 2008. - Т.30, №9. - C.1281-1287.

7. Фотопровідність кремнію в умовах магнітного впливу / В.А. Макара, Л.П. Стебленко, А.О. Подолян, А.М. Курилюк, Ю.Л. Кобзар, С.М. Науменко // Доповіді академії наук України. - 2008. -№10. - C.91-95.

8. The relaxation of magnetomechanical effect in silicon crystals under cyclic magnetic treatment / V.A. Makara, L.P. Steblenko, A.M. Kuryliuk, Iu.L. Kobzar, S.M. Naumenko, A.M. Krit, V.M. Kravchenko // Functional materials. - 2009. - Vol.16, No.3. - P.237-240.

9. Changes in the state of paramagnetic centers and lattice parameter of micro-structured Si under the influence of weak magnetic field / V.V. Trachevsky, L.P. Steblenko, P.Y. Demchenko, O.V. Koplak, A.M. Kuryliuk, A.K. Melnik // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.- 2010.- Vol. 13, No.1.- P. 87-90.

10. Изменение структурного состояния и топологии поверхности кремния под влиянием слабых магнитных полей / Л.П. Стебленко, А.Н. Курилюк, П.А. Теселько, С.В. Черепов, О.Н. Било, Ю.Л. Кобзар, С.Н. Науменко // Металлофизика и новейшие технологии. - 2010. - Т.32, № 2. - С.145-151.

11. Магнитомеханический эффект в кристаллах кремния в микроволновом поле / В.А. Макара, А.Н. Погорелый, Л.П. Стебленко, А.Н. Курилюк, С.Н. Науменко, Ю.Л. Кольченко, А.Ф. Кравец, Д.И. Подъяловский, О.В. Матвеева // Международная конференция «Взаимодействие излучения с веществом и ее применение в технологии 2006». - Каунас (Литва), 2006.- С.70-73.

12. Влияние слабого магнитного поля на модификацию нанокластеров структурных дефектов в кристаллах кремния и его физико-механические свойства / В.А. Макара, Л.П. Стебленко, А.Н. Курилюк, О.В. Коплак, С.Н. Науменко, Ю.Л. Кольченко // XVII Петербургские чтения по проблемам прочности. - Санкт-Петербург (Россия), 2007. - C.105-107.

13. Effects of constant and ultrahigh frequency magnetic fields upon physical properties of non-magnetic materials / V.A. Makara, L.P. Steblenko, A.N. Kuryliuk, V.B. Shevchenko, S.M. Naumenko, A.I. Nizhelskaya, V.N. Kravchenko // International Conference “Nanomeeting-2007” (Physics, Chemistry and Application of Nanostructures). - Minsk (Belarus), 2007. - P.78-80.

14. Зміна фізичних властивостей та наноструктури кристалів кремнію під дією слабкого МП / В.А. Макара, Л.П. Стебленко, М.О. Васильєв, А.М. Курилюк, Ю.Л. Кобзар, С.М. Науменко, О.В. Коплак // Международная научно-техническая конференция „Повышение качества, надежности и долговечности технических систем и технологических процессов“. ? Хургада (Египет), 2007. - C. 80-82.

15. Долговременные изменения микротвердости и химических связей кремния при действии магнитного поля и микроволнового излучения / М.Е. Корниенко, В.А. Макара, Л.П. Стебленко, Д.И. Калиниченко, А.Н. Курилюк, С.Ю. Кутовой, В.Б. Шевченко // XLVII Международная конференция «Актуальные проблемы прочности». - Нижний Новгород (Россия), 2008. - C.251-253.

16. Detection of long-term changes in condensed substance structure and new electronic states induced by nonlinear oscillating-electronic correlation and external fields / M.E. Kornienko, V.A. Makara, D.V. Kalinichenko, A.M. Кuryliuk, A.I. Nigelska // International Symposium RA08 “Rare attractors and rare phenomena in nonlinear dynamics”.- Riga (Latvia), 2008. - P.50-51.

17. Использование радиационных воздействий в качестве фактора влияющего на микромеханические характеристики и состояние магниточувствительных центров в кристалах кремния / В.А. Макара, Л.П. Стебленко, А.Н. Курилюк, Ю.Л. Кобзарь, С.Н. Науменко, А.Н. Крит // Пятая Международная конференция «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий» ? Жуковка (Крым), 2008. - C.199.

18. Зміна структурного стану і топології поверхні кремнію під впливом МП / Л.П. Стебленко, А.М. Курилюк, П.О. Теселько, С.В. Черепов, О.М. Било, Ю.Л. Кобзар, С.М. Науменко // Міжнародна науково-практична конференція «Структурна релаксація у твердих тілах». - Вінниця (Україна), 2009. - C.194-195.

Размещено на Allbest.ru

...