Зміна наноструктури та мікропластичних характеристик кристалів кремнію під впливом сильних магнетних полів

В роботі вивчається вплив сильних магнетних полів (В = 9,4 Тл) на наноструктуру та мікропластичність кристалів кремнію. Встановлені магнетостимульовані ефекти вказують на наявність залежности між еволюцією наноструктури та типом леґувальних домішок (Фосфор, Бор). При цьому виявлено, що сильні магнет...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2017
Hauptverfasser:	Стебленко, Л.П., Трачевський, В.В., Мельник, А.К., Курилюк, А.М., Кріт, О.М., Науменко, С.М., Кобзар, Ю.Л., Юргелевич, І.В., Розуван, С.Г., Теселько, П.О.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2017
Schriftenreihe:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133182
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Зміна наноструктури та мікропластичних характеристик кристалів кремнію під впливом сильних магнетних полів / Л.П. Стебленко, В.В. Трачевський, А.К. Мельник, А.М. Курилюк, О.М. Кріт, С.М. Науменко, Ю.Л. Кобзар, І.В. Юргелевич, С.Г. Розуван, П.О. Теселько // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2017. — Т. 15, № 2. — С. 221-233. — Бібліогр.: 10 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-133182
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1331822018-05-22T03:03:03Z Зміна наноструктури та мікропластичних характеристик кристалів кремнію під впливом сильних магнетних полів Стебленко, Л.П. Трачевський, В.В. Мельник, А.К. Курилюк, А.М. Кріт, О.М. Науменко, С.М. Кобзар, Ю.Л. Юргелевич, І.В. Розуван, С.Г. Теселько, П.О. В роботі вивчається вплив сильних магнетних полів (В = 9,4 Тл) на наноструктуру та мікропластичність кристалів кремнію. Встановлені магнетостимульовані ефекти вказують на наявність залежности між еволюцією наноструктури та типом леґувальних домішок (Фосфор, Бор). При цьому виявлено, що сильні магнетні поля здійснюють діяметрально протилежний вплив на зміну наноструктури в кристалах Si n- та р-типу провідности. Виявлено, що сильні магнетні поля викликають довготривалі процеси структурної релаксації, які позначаються на характері зміни мікропластичних характеристик. Встановлено, що в кристалах Si з різним типом провідности залежність між рухливістю дислокацій і домішкою, яка визначає природу мікропластичности в кремнії (Оксиґен), носить ідентичний характер. В работе изучается влияние сильных магнитных полей (В = 9,4 Тл) на наноструктуру и микропластичность кристаллов кремния. Обнаруженные магнитостимулированные эффекты указывают на существование зависимости между эволюцией наноструктуры и типом легирующих примесей (фосфор, бор) и зависимости между подвижностью дислокаций и примесью, которая определяет природу микропластичности в кремнии (кислород). In this paper, the influences of strong magnetic fields (B = 9.4 Tl) on the nanostructure and the microplasticity of silicon crystal are studied. Revealed magnetostimulated effects show dependence between the evolution of nanostructure and the type of dopant impurities (phosphorus, boron). As found, the strong magnetic fields lead to different changes in nanostructure of Si crystal of the n- and p-type conductivity. As shown, the strong magnetic fields cause long-term structural relaxation processes, which effect on the changes of microplastic characteristics. As established, the dependence between the mobility of dislocations and the impurity, which determines the origin of microplasticity in silicon (namely, oxygen), is identical in Si crystals with different types of conductivity. 2017 Article Зміна наноструктури та мікропластичних характеристик кристалів кремнію під впливом сильних магнетних полів / Л.П. Стебленко, В.В. Трачевський, А.К. Мельник, А.М. Курилюк, О.М. Кріт, С.М. Науменко, Ю.Л. Кобзар, І.В. Юргелевич, С.Г. Розуван, П.О. Теселько // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2017. — Т. 15, № 2. — С. 221-233. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. 1816-5230 PACS: 61.72.Ff,61.72.Hh,61.72.Lk,66.30.Lw,78.67.Bf,81.40.Lm,83.60.Np http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133182 uk Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	В роботі вивчається вплив сильних магнетних полів (В = 9,4 Тл) на наноструктуру та мікропластичність кристалів кремнію. Встановлені магнетостимульовані ефекти вказують на наявність залежности між еволюцією наноструктури та типом леґувальних домішок (Фосфор, Бор). При цьому виявлено, що сильні магнетні поля здійснюють діяметрально протилежний вплив на зміну наноструктури в кристалах Si n- та р-типу провідности. Виявлено, що сильні магнетні поля викликають довготривалі процеси структурної релаксації, які позначаються на характері зміни мікропластичних характеристик. Встановлено, що в кристалах Si з різним типом провідности залежність між рухливістю дислокацій і домішкою, яка визначає природу мікропластичности в кремнії (Оксиґен), носить ідентичний характер.
format	Article
author	Стебленко, Л.П. Трачевський, В.В. Мельник, А.К. Курилюк, А.М. Кріт, О.М. Науменко, С.М. Кобзар, Ю.Л. Юргелевич, І.В. Розуван, С.Г. Теселько, П.О.
spellingShingle	Стебленко, Л.П. Трачевський, В.В. Мельник, А.К. Курилюк, А.М. Кріт, О.М. Науменко, С.М. Кобзар, Ю.Л. Юргелевич, І.В. Розуван, С.Г. Теселько, П.О. Зміна наноструктури та мікропластичних характеристик кристалів кремнію під впливом сильних магнетних полів Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Стебленко, Л.П. Трачевський, В.В. Мельник, А.К. Курилюк, А.М. Кріт, О.М. Науменко, С.М. Кобзар, Ю.Л. Юргелевич, І.В. Розуван, С.Г. Теселько, П.О.
author_sort	Стебленко, Л.П.
title	Зміна наноструктури та мікропластичних характеристик кристалів кремнію під впливом сильних магнетних полів
title_short	Зміна наноструктури та мікропластичних характеристик кристалів кремнію під впливом сильних магнетних полів
title_full	Зміна наноструктури та мікропластичних характеристик кристалів кремнію під впливом сильних магнетних полів
title_fullStr	Зміна наноструктури та мікропластичних характеристик кристалів кремнію під впливом сильних магнетних полів
title_full_unstemmed	Зміна наноструктури та мікропластичних характеристик кристалів кремнію під впливом сильних магнетних полів
title_sort	зміна наноструктури та мікропластичних характеристик кристалів кремнію під впливом сильних магнетних полів
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2017
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133182
citation_txt	Зміна наноструктури та мікропластичних характеристик кристалів кремнію під впливом сильних магнетних полів / Л.П. Стебленко, В.В. Трачевський, А.К. Мельник, А.М. Курилюк, О.М. Кріт, С.М. Науменко, Ю.Л. Кобзар, І.В. Юргелевич, С.Г. Розуван, П.О. Теселько // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2017. — Т. 15, № 2. — С. 221-233. — Бібліогр.: 10 назв. — укр.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT steblenkolp zmínananostrukturitamíkroplastičnihharakteristikkristalívkremníûpídvplivomsilʹnihmagnetnihpolív AT tračevsʹkijvv zmínananostrukturitamíkroplastičnihharakteristikkristalívkremníûpídvplivomsilʹnihmagnetnihpolív AT melʹnikak zmínananostrukturitamíkroplastičnihharakteristikkristalívkremníûpídvplivomsilʹnihmagnetnihpolív AT kurilûkam zmínananostrukturitamíkroplastičnihharakteristikkristalívkremníûpídvplivomsilʹnihmagnetnihpolív AT krítom zmínananostrukturitamíkroplastičnihharakteristikkristalívkremníûpídvplivomsilʹnihmagnetnihpolív AT naumenkosm zmínananostrukturitamíkroplastičnihharakteristikkristalívkremníûpídvplivomsilʹnihmagnetnihpolív AT kobzarûl zmínananostrukturitamíkroplastičnihharakteristikkristalívkremníûpídvplivomsilʹnihmagnetnihpolív AT ûrgelevičív zmínananostrukturitamíkroplastičnihharakteristikkristalívkremníûpídvplivomsilʹnihmagnetnihpolív AT rozuvansg zmínananostrukturitamíkroplastičnihharakteristikkristalívkremníûpídvplivomsilʹnihmagnetnihpolív AT teselʹkopo zmínananostrukturitamíkroplastičnihharakteristikkristalívkremníûpídvplivomsilʹnihmagnetnihpolív
first_indexed	2025-07-09T18:38:23Z
last_indexed	2025-07-09T18:38:23Z
_version_	1837195649343291392
fulltext	221 PACS numbers: 61.72.Ff, 61.72.Hh, 61.72.Lk, 66.30.Lw, 78.67.Bf, 81.40.Lm, 83.60.Np Зміна наноструктури та мікропластичних характеристик кристалів кремнію під впливом сильних магнетних полів Л. П. Стебленко1, В. В. Трачевський2, А. К. Мельник3, А. М. Курилюк1, О. М. Кріт1, С. М. Науменко1, Ю. Л. Кобзар1, І. В. Юргелевич1, С. Г. Розуван1, П. О. Теселько1 1Київський національний університет імені Тараса Шевченка, вул. Володимирська, 64/13, 01601 Київ, Україна 2Технічний центр НАН України, вул. Покровська, 13, 04070 Київ, Україна 3Інститут сорбції та проблем ендоекології НАН України, вул. Генерала Наумова, 13, 03164 Київ, Україна В роботі вивчається вплив сильних магнетних полів (В9,4 Тл) на на- ноструктуру та мікропластичність кристалів кремнію. Встановлені ма- гнетостимульовані ефекти вказують на наявність залежности між ево- люцією наноструктури та типом леґувальних домішок (Фосфор, Бор). При цьому виявлено, що сильні магнетні поля здійснюють діяметраль- но протилежний вплив на зміну наноструктури в кристалах Si n- та р- типу провідности. Виявлено, що сильні магнетні поля викликають дов- готривалі процеси структурної релаксації, які позначаються на харак- тері зміни мікропластичних характеристик. Встановлено, що в криста- лах Si з різним типом провідности залежність між рухливістю дисло- кацій і домішкою, яка визначає природу мікропластичности в кремнії (Оксиґен), носить ідентичний характер. In this paper, the influences of strong magnetic fields (B9.4 Tl) on the nanostructure and the microplasticity of silicon crystal are studied. Re- vealed magnetostimulated effects show dependence between the evolution of nanostructure and the type of dopant impurities (phosphorus, boron). As found, the strong magnetic fields lead to different changes in nanostructure of Si crystal of the n- and p-type conductivity. As shown, the strong magnetic fields cause long-term structural relaxation process- es, which effect on the changes of microplastic characteristics. As estab- lished, the dependence between the mobility of dislocations and the impu- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii 2017, т. 15, № 2, сс. 221–233  2017 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН Óкраїни) Надруковано в Óкраїні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії http://www.nas.gov.ua/conferences/nansys2013/participants/organization/Pages/pageOrganization.aspx?ffn1=IDorg&fft1=Eq&ffv1=40 222 Л. П. СТЕБЛЕНКО, В. В. ТРАЧЕВСЬКИЙ, А. К. МЕЛЬНИК та ін. rity, which determines the origin of microplasticity in silicon (namely, oxygen), is identical in Si crystals with different types of conductivity. В работе изучается влияние сильных магнитных полей (В9,4 Тл) на наноструктуру и микропластичность кристаллов кремния. Обнаружен- ные магнитостимулированные эффекты указывают на существование зависимости между эволюцией наноструктуры и типом легирующих примесей (фосфор, бор) и зависимости между подвижностью дислока- ций и примесью, которая определяет природу микропластичности в кремнии (кислород). Ключові слова: кремній, магнетне поле, дислокації, наноструктура, мікропластичність. Key words: silicon, magnetic field, dislocations, nanostructures, micro- plasticity. Ключевые слова: кремний, магнитное поле, дислокации, нанострукту- ра, микропластичность. (Отримано 25 січня 2017 р.) 1. ВСТУП Проблема модифікації дефектно-домішкової підсистеми кристалів кремнію завжди була і все ще залишається актуальною і визна- чальною у фізичній природі багатьох фізичних характеристик, зокрема характеристик мікропластичності. Важливість для су- часного напівпровідникового матеріялознавства, а також для практичних потреб мікроелектроніки диктує необхідність глибо- кого експериментального вивчення фізичних основ модифікації наноструктури кремнію. Як показали дослідження останніх років, нові можливості ке- рування наноструктурою та фізичними властивостями кремнію, який належить до немагнітних матеріялів, забезпечується дією магнітного поля (МП) [1–7]. Магнітне оброблення (МО) кристалів кремнію може бути економічно вигідним шляхом керування структурно-домішковим станом та морфологією поверхні криста- лів кремнію, а відтак, і фізичними властивостями кремнію, який є базовим матеріялом у мікроелектроніці. Пошук та вивчення нових ефектів, пов’язаних із зовнішнім впливом на наноструктуру та структурно-чутливі характеристики напівпровідникових матеріялів, має велике наукове та практичне значення, оскільки уможливлює прогнозувати ті фізичні проце- си, які стимульовані дією зовнішніх факторів і які можуть приз- водити до зміни експлуатаційних характеристик електронних приладів в ході їхньої роботи. Крім того, залучення до дослі- ЗМІНА НАНОСТРÓКТÓРИ ТА МІКРОПЛАСТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК Si 223 джень фізичних полів як різновиду технологічних оброблянь збі- льшує можливості контрольованого впливу на структурні харак- теристики кристалів кремнію і, як наслідок, на їхні фізичні вла- стивості, що підкреслює як наукову, так і практичну спрямова- ність вказаної наукової проблеми. В попередніх дослідженнях [8] нами було виявлено, що вплив слабкого (В0,17 Тл) постійного магнітного поля (МП) на дисло- каційні кристали Si призводить до затримки дислокацій в поло- женні старту та до гальмування їх руху, тобто викликає появу позитивного магнітопластичного ефекту (МПЕ). Метою даної роботи було встановлення закономірностей зміни наноструктури та мікропластичних характеристик кристалів кремнію n- та p-типу провідності при дії сильного (В9 Тл) пос- тійного магнітного поля. 2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА МЕТОДИКА В роботі досліджувались кристали кремнію n- та p-типу провід- ності, вирощені за методом Чохральського. Кристали Si n-типу були леґовані фосфором до питомого опору 4,5 Омсм, а крис- тали Si p-типу — леґовані бором до питомого опору 10 Омсм. Зразки обох типів провідності мали кристалографічну орієнтацію поверхні {111}. В якості мікропластичної характеристики виступала величина пробігів індивідуальних дислокацій, що вводилися у кристали кремнію методом чотироопорного деформування на згин. Виявлення дислокацій та визначення відстані, пройденої дис- локацією при вибраних умовах навантаження і температурах, проводилося по стандартній методиці подвійного хімічного щав- лення (рис. 1). а б Рис. 1. Металографічне зображення дислокаційних зразків кремнію до (а) і після (б) дії механічного деформувального навантаження (200).1 224 Л. П. СТЕБЛЕНКО, В. В. ТРАЧЕВСЬКИЙ, А. К. МЕЛЬНИК та ін. Величина пробігу дислокацій l вимірювалася як відстань між центрами плоскодонної ямки щавлення, що відповідає початко- вому положенню дислокації і маленької гострокінцевої ямки, що відповідає новому положенню дислокації, що змістилася (рис. 1, б). Магнітне оброблення зразків кремнію здійснювалося при кім- натній температурі шляхом витримки зразків в однорідному пос- тійному магнітному полі величина магнітної індукції якого скла- дала 9,4 Тл, час оброблення в МП становив 110 годин. Мікроструктурні дослідження дислокаційних зразків та виміри пробігів дислокацій проводили на оптичному мікроскопі AXIO Observer A1m нового покоління фірми Carl Zeiss. Середній пробіг дислокацій при даних умовах досліду до і піс- ля завершення магнітного оброблення визначався не менше, ніж по 50 окремих вимірах. Дослідження рельєфу і шерсткості поверхні кремнію проводи- лись за допомогою атомно-силового мікроскопа фірми ‘NTEGRA’ модифікації PRIMA російського виробника NT-MDT. АСМ-зображення одержувалися у безконтактному режимі і об- раховувалися за допомогою прикладного програмного забезпе- чення фірми NT-MDT. Для вивчення структурних порушень при поверхневих шарів контрольних (вихідних) кристалів кремнію та кристалів крем- нію, які пройшли магнітне оброблення, використовувався три- кристальний дифрактометр. Методом трикристальної рентґенівської дифрактометрії було визначено статичний фактор Дебая–Валлера L, який є характе- ристикою середньоквадратичного відхилення атомів з положення рівноваги. Трикристальний рентґенівський дифрактометр при бреґґівському симетричному відбиванні від поверхні зразків СuK1-випромінення працював в режимі 2-сканування. Дифрактограми мали двопікову форму. З одержаних дифрак- тограм по різниці кутових положень головного та побічного мак- симумів визначався кут відхилення зразка від бреґґівського по- ложення . Для нашого випадку пікова інтенсивність головного максиму- му була пропорційною до відношення:   2 2 ( ) M I E , де EeL — статичний фактор Дебая–Валлера. Отже, залежність логариф- му інтенсивності головного піку від логарифму кута відхилення зразка від бреґґівського положення  має вигляд прямої. Знаючи величину статистичного фактора Дебая–Валлера для еталонного кристалу, можна визначити аналогічну величину досліджуваного зразка. Спектри ЕПР зразків кремнію реєструвалися при кімнатній температурі за допомогою ЕПР-спектрометра ‘BRUKER ELEXSYS E580’. Частота мікрохвильового випромінення складала 9,81 ЗМІНА НАНОСТРÓКТÓРИ ТА МІКРОПЛАСТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК Si 225 ГГц, частота модуляції — 100 кГц, потужність мікрохвильового випромінювання варіювалась в межах 20–40 мВт. Спектри фік- сувались в діяпазоні розгортки ПМП В03480–3540 Э. Проведені в роботі еліпсометричні дослідження поверхневої наноструктури ґрунтувалися на вимірюванні зсуву фаз  між p- та s-компонентами вектора поляризації і азимута  відновленої лінійної поляризації, залежно від кута падіння світла . Ці мі- ряння виконувалися на стандартному лазерному еліпсометрі ЛЭФ-3М-1 з робочою довжиною хвилі гелій-неонового лазера 632,8 нм. З кутових залежностей cos() і tg() визначалися головний кут падіння світла 0 (cos0) та tg при цьому куті. 3. РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ В противагу до слабкого МП, яке гальмує рух дислокацій [8], вплив сильного МП на кристали Si n-типу приводить до зростан- ня пробігів, а отже, і швидкості дислокацій в порівнянні з дис- локаційними кристалами кремнію, які не піддавалися магнітно- му впливу (рис. 2). Таким чином, сильне МП спричинює існування неґативного МПЕ. Останнє вказує на те, що стимульована сильним і слабким МП структурна еволюція, яка перебігає в підсистемі «дислока- ція–домішкова атмосфера» і яка впливає на характер руху дис- локацій, має принципово різний характер. Механізм виявлених особливостей динамічної поведінки дис- а б Рис. 2. Залежність середньої довжини пробігів дислокацій L від часу t дії механічного навантаження при температурі Т873 К (а) та Т823 К (б) в зразках Si n-типу: ■ — вихідні (контрольні) зразки; ● — зразки, витримані в сильному МП (В9 Тл) протягом 110 годин (1–7-а доба — день, на який здійснювалося деформування зразків).2 226 Л. П. СТЕБЛЕНКО, В. В. ТРАЧЕВСЬКИЙ, А. К. МЕЛЬНИК та ін. локацій, обумовлених впливом сильних МП, може бути пов’язаний зі зміною характеру взаємодії між дислокаціями та атомами Оксиґену, які є домінуючими домішками в кремнії та головними гальмівними центрами для руху дислокацій. Ґрунту- ючись на положеннях спін-залежної електронної теорії [9], мож- на припустити, що сильне МП приводить до синґлет-триплетних переходів в системі «дислокація–домішка Оксиґену» і стимулює зміну стану (спінової конфіґурації) домішкових атомів Оксиґену, що вже перебувають в ядрах дислокацій. Внаслідок цього серед- ня енергія зв’язку Оксиґену з дислокацією UВ зменшується, що приводить до втрати частини атомів Оксиґену дислокаціями. Можна припустити, що в зв’язку зі зменшенням концентрації домішок Оксиґену, які перебувають в ядрах дислокацій і які га- льмують їх рух, швидкість дислокацій зростає. Окрім появи неґативного МПЕ, при дії сильних магнітних по- лів на зразки Si n-типу спостерігаються і інші характерні особ- ливості, відмінні від особливостей, які мають місце при впливі слабких полів. Першою особливістю є наростання величини про- бігів дислокацій по мірі збільшення проміжку часу між завер- шенням магнітного оброблення зразків кремнію та часом їх ме- ханічного деформування (рис. 2, а, б). Стимульовані сильним магнітним полем процеси пластифікації особливо яскраво проявляються через кілька діб після завершен- ня МО. Останнє свідчить про те, що сильні магнітні поля викли- кають довготривалі процеси структурної релаксації, які вплива- ють на мікропластичність кристалів кремнію. Можна припустити, що довготривалі процеси структурної пе- ребудови змінюють структуру внутрішніх полів напружень і це призводить до того, що сформовані структурні елементи в насту- пний момент часу самі є джерелами внутрішніх неоднорідних полів напруги. Не виключено, що зростання пробігів дислокацій з часом, що минув після МО, пов’язане з формуванням таких структурних елементів, які приводять до релаксації внутрішніх полів напружень. При цьому слід відмітити, що існує певний проміжок часу (в наших експериментальних умовах цей час складає 7 діб), за яко- го викликаний магнітним впливом ефект зростання пробігів по- чинає релаксувати. Це свідчить про існування своєрідної «магні- тної пам’яті», часова обмеженість якої може бути пов’язана з оборотністю стимульованого МП процесу структурної перебудови. Друга характерна ознака, пов’язана з впливом сильних магні- тних полів на зразки кремнію n-типу провідності, полягає в по- силеному гетеруванні домішок поверхнею зразків Si, які пройш- ли МО, в порівнянні з контрольними зразками (рис. 3, а, б). Ó відповідності з [3] гетерування різних домішок з об’єму зразків ЗМІНА НАНОСТРÓКТÓРИ ТА МІКРОПЛАСТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК Si 227 кремнію вказує на те, що інертна, зазвичай, поверхня Si в силь- ному магнітному полі активується. Для поверхневої нанострук- тури зразків Si, сформованої під впливом сильного магнітного поля, характерним є також виникнення дефектів паковання (ДП). На рисунку 3, в представлено мікрофотографію поверхні Si після МО, яка ілюструє зароджені при МО дефекти паковання (світлі трикутники). ДП можуть з’явитися в силу різних причин, серед яких найбільш вірогідною є якість поверхні зразка, яка включає в себе локальні неоднорідності поверхні у вигляді меха- нічних порушень (подряпин), домішок та ін. Активування поверхні в магнітному полі і збільшення концен- трації домішок в приповерхневому шарі, як було нами встанов- лено, позначається на характері поверхневого рельєфу кристалів Si n-типу. Проведені за допомогою методики АСМ-дослідження виявили, що після магнітного оброблення в сильних МП спосте- рігається зростання параметру шерсткості. Так, якщо на контро- льних зразках параметр шерсткості становив Ra12,5 нм, то на зразках, які піддавалися магнітному впливу, параметр шерсткос- ті зростав до значення Ra17,4 нм. На порушення ступеня структурної досконалості приповерхне- вих шарів кремнію з електронним типом провідності вказують також результати досліджень, які здійснювались із залученням методу трикристальної дифрактометрії. Визначений за допомо- гою цього методу структурний параметр — фактор Дебая– Валлера після магнітного оброблення через дію сильного МП зро- став на величину ∆L0,4. Останнє свідчить про те, що в зразках кремнію в сильному МП зростає дефектність приповерхневих шарів. Ще одна характерна ознака магнітостимульованої зміни наноструктури полягає в наступному. Дослідження спектрів ЕПР виявили, що характерною ознакою, пов’язаною з впливом сильних магнітних полів на зразки Si n- типу, є зменшення інтенсивності лінії ЕПР-спектру з g-фактором а б в Рис. 3. Металографічне зображення поверхні дислокаційних зразків кремнію n-типу: зразки Si, що пройшли магнітне оброблення (В9 Тл, tМО110 годин) (а), (в); вихідні (контрольні) зразки кремнію (б).3 228 Л. П. СТЕБЛЕНКО, В. В. ТРАЧЕВСЬКИЙ, А. К. МЕЛЬНИК та ін. 2,0055, яка ототожнюється з розірваними зв’язками [10] (рис. 4). Зменшення кількості розірваних зв’язків може бути пов’язане з міждефектними взаємодіями між розірваними зв’язками на по- Рис. 4. Спектри ЕПР зареєстровані в кристалах Si n-типу: 1 — вихідні (контрольні) зразки кремнію; 2 — зразки Si, що пройшли магнітне об- роблення (В9 Тл, tМО110 годин).4 Рис. 5. Залежність азимута відновленої поляризації (tg) від головного кута падіння світла (0): 1 — літературні дані для системи Si–SiO2 (де SiO2 — природна окисна плівка); 2 – експериментальні дані, зафіксова- ні для зразка Si, який не перебував в магнітному полі; 3 — для зразка Si відразу після завершення магнітного оброблення; 3 — досліджува- ний зразок Si через 9 діб після завершення МО; 3 — досліджуваний зразок Si через 129 діб після завершення МО; 3 — досліджуваний зра- зок Si через 395 діб після завершення МО.5 ЗМІНА НАНОСТРÓКТÓРИ ТА МІКРОПЛАСТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК Si 229 верхні та прогетерованими поверхнею домішками. На те, що така взаємодія можлива, вказують результати дослі- джень, проведених із залученням методу еліпсометрії (рис. 5). Як видно з рис. 5, в результаті магнітного оброблення в силь- ному магнітному полі на поверхні кремнію формується додаткова до природньої окисна плівка. Так, якщо товщина природньої плівки у контрольному зразку Si складала h4,5 нм, то після МО товщина плівки зростала до величини h6 нм. Було встано- влено, що магнітний вплив проявляється не тільки в зростанні товщини окисної плівки, але й позначається на показникові за- ломлення (n) кремнію, хоча зазначені зміни параметра n мають місце не відразу після вилучення зразків з магнітного поля, а че- рез деякий час після завершення його дії. Слід зазначити, що вищезазначені зміни, пов’язані з магнітостимульованим проце- сом окиснення носять оборотній характер, і через деякий час спостерігається поступова структурна релаксація. Ознакою, пов’язаною з впливом сильних МП на кристали кре- мнію n-типу, є зміни картини деформаційного рельєфу. Суть цієї зміни полягає у інтенсифікації процесів пластифікації. Ó дефор- мації починає брати участь велика участь дислокацій, на що вка- зує утворення ліній і полос ковзання (рис. 6, а). Подібні процеси не були виявлені нами при дослідженні контрольних зразків (рис. 6, б). Вплив слабких полів теж не супроводжувався появою ліній і полос ковзання. Зазначені процеси можуть бути проявом зниження в сильному магнітному полі напружень пластичної течії кристалів Si. Ці процеси особливо яскраво проявляються в зразках Si n-типу при великих часах дії деформувальних напружень (60 хв.). Поси- лення процесів пластифікації при великих часах деформування а б Рис. 6. Лінії і полоси ковзання, утворені при деформуванні дислокацій- них зразків Si n-типу через 6 діб після завершення магнітного оброб- лення (а); вихідні (контрольні) дислокаційні зразки (б).6 230 Л. П. СТЕБЛЕНКО, В. В. ТРАЧЕВСЬКИЙ, А. К. МЕЛЬНИК та ін. свідчить про участь в процесах мікропластичності дифузійних процесів, які приводять до зміни механізму, який лімітує рух дислокацій. При цьому активну роль відіграє поперечне ковзан- ня — рух дислокацій відбувається шляхом переповзання, який у даних експериментальних умовах активізується. Слід відзначи- ти, що характерні ознаки еволюції дефектної структури і мікро- пластичності, які проявляються в сильних полях і про які йшла мова вище, притаманні кристалам кремнію n-типу провідності. Що стосується зразків Si р-типу, то для них прояв сильного МП на наноструктуру носить дещо інший характер. Фактом, який відрізняє магнітостимульовані зміни нанострук- тури в кристалах Si р-типу від кристалів n-типу, є деяке змен- шення параметра шерсткості поверхні. Так, якщо в контрольних зразках параметр шерсткості складав величину Ra4,4 нм, то після МО цей параметр набував значення Ra3,7 нм. Нами було також встановлено, що вплив сильного МП на кри- стали Si р-типу викликає зменшення фактора Дебая–Валлера на величину ∆L1,4. Таке істотне зменшення фактора Дебая– Валлера вказує на те, що в приповерхневих шарах кристалів Si р-типу в сильних МП формується менш дефектна структура у по- рівнянні з контрольними зразками р-типу та в порівнянні з кри- сталами Si n-типу. На зменшення дефектності приповерхневих шарів Si р-типу в порівнянні з кристалами Si n-типу вказує не лише структурний параметр (фактор Дебая–Валлера), але й інте- нсивність ЕПР-сиґналу для лінії, що співвідноситься з розірва- Рис. 7. Зміна відносної інтенсивності ЕПР-сиґналу для лінії з g2,0055 в залежності від часу, що минув після завершення магнітного оброб- лення. Зразки кремнію: 1 — р-тип; 2 — n-тип. І0 — інтенсивність ЕПР- сиґналу в контрольних зразках; І — інтенсивність ЕПР-сиґналу в зраз- ках, що пройшли МО.7 ЗМІНА НАНОСТРÓКТÓРИ ТА МІКРОПЛАСТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК Si 231 ними зв’язками (рис. 7). Як видно з рис. 7, відносна інтенсив- ність для зазначеної лінії, зареєстрованої в зразках Si р-типу, І/І01, що вказує на відсутність магнітостимульованих змін ін- тенсивності ЕПР-сиґналу. В той же час, в зразках Si n-типу зна- чення відносної інтенсивності свідчать про ефект зменшення ін- тенсивності ЕПР-сиґналу від аналогічної лінії після МО. Отже, сильні МП виявляють діяметрально протилежний вплив на певні структурні параметри кристалів Si n- та р-типу. Для з’ясування механізмів, які лежать в основі відмінностей виявле- них ефектів необхідні додаткові експерименти, які пов’язані з дослідженням ролі леґувальної домішки у магнітостимульованих ефектах. Попри те, що в кристалах Si n- та р-типу магнітостимульовані зміни стану наноструктури та рельєфу поверхні істотно відрізня- ються, мікропластичні характеристики, які ідентифікуються з пробігами дислокацій, змінювалися в кристалах кремнію з різ- ним типом провідності однаковим чином. В кристалах Si р-типу пробіги дислокацій після МО зростали, подібно до того як це має місце в кристалах n-типу. Крім того, кристалам р-типу також притаманне явище інтенсифікації процесів пластифікації при дії сильних магнітних полів (рис. 8, а). Подібне явище відсутнє в контрольних зразках Si р-типу (рис. 8, б). Таким чином, нами було встановлено, що тип леґувальної до- мішки впливає на еволюцію наноструктури та рельєфу поверхні кремнію і не позначається на характерних ознаках його мікроп- ластичності. На наш погляд, це пов’язано з тим, що домінуючи- ми домішками, які викликають зміну мікропластичності в крис- талах Si n- та р-типу є не леґувальні домішки, а Оксиґен, який, як відомо, визначає природу дислокаційно-домішкової взаємодії а б Рис. 8. Структура дислокаційних зразків Si р-типу через 6 діб після за- вершення магнітного оброблення (В9 Тл, tМО110 годин) (а); струк- тура вихідних (контрольних) дислокаційних зразків (б).8 232 Л. П. СТЕБЛЕНКО, В. В. ТРАЧЕВСЬКИЙ, А. К. МЕЛЬНИК та ін. в кремнії. 4. ВИСНОВКИ В роботі встановлено, що характер зміни наноструктури в крис- талах кремнію, стимульованої дією сильних магнітних полів, за- лежить від типу леґувальної домішки. Виявлені особливості у зміні характеристик мікропластичнос- ті, які викликані дією сильних МП на кристали Si, не залежать від типу провідності, а визначаються, найімовірніше, домінува- льною в кремнії домішкою — Оксиґеном. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА–REFERENCES 1. O. Koplak, R. Morgunov, and A. Buchachenko, Chem. Phys. Lett., 560: 29 (2013). 2. O. Koplak, A. Dmitriev, T. Kakeshita, and R. Morgunov, J. Appl. Phys., 110: 044905 (2011). 3. M. N. Levin, A. V. Tatarintsev, O. A. Kostsova, and A. M. Kostsov, Zh. Tekh. Fiz., 73, No. 10: 85 (2003) (in Russian). 4. M. N. Levin and B. A. Zon, Zh. Eksp. Teor. Fiz., 111, No. 4: 1373 (1997) (in Russian). 5. V. N. Buzyikin, O. I. Datsko, and S. N. Postnikov, Elektron. Obrab. Mater., No. 2: 16 (1993) (in Russian). 6. Ya. B. Zel’dovich, A. L. Buchachenko, and E. L. Frankevich, Usp. Fiz. Nauk, 155, No. 1: 3 (1988) (in Russian). 7. O. V. Koplak, R. B. Morgunov, and A. L. Buchachenko, J. Exp. Theor. Phys. Lett., 96, No. 2: 107 (2012) (in Russian). 8. V. A. Makara, L. P. Steblenko, I. V. Plyushchay, A. N. Kuryliuk, D. V. Kalinichenko, A. N. Krit, and S. N. Naumenko, Fiz. Tverd. Tela, 56, No. 8: 1531 (2014) (in Russian). 9. A. L. Buchachenko, JETP, 132, No. 3: 673 (2007) (in Russian). 10. A. B. Roytsyn and V. M. Maevskiy, Usp. Fiz. Nauk, 159, No. 2: 297 (1998) (in Russian). 1Taras Shevchenko National University of Kyiv, 64/13, Volodymyrska Str., 01601 Kyiv, Ukraine 2Technical Centre, N.A.S. of Ukraine, 13, Pokrovska Str., 04070 Kyiv, Ukraine 3Institute of Sorption and Problems Endoecology, N.A.S. of Ukraine, 13, General Naumov Str., 03164 Kyiv, Ukraine 1 Fig. 1. Metallographic image of dislocation silicon samples before (а) and after (б) action of the mechanical deforming load (200). 2 Fig. 2. Dependence of the mean path length L of dislocations on the time t of mechanical load at T873 K (а) and T823 K (б) in the Si n-type: ■—initial (control) samples; ●— samples after treatment in a strong MF (В9 Т) for 110 hours (1–7-th day—the day, in ЗМІНА НАНОСТРÓКТÓРИ ТА МІКРОПЛАСТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК Si 233 which samples are deformed). 3 Fig. 3. Metallographic image of surface of dislocation silicon sample n-type: Si samples after a magnetic treatment (B9 T, tMT110 hours) (а), (в), initial (control) samples of silicon (б). 4 Fig. 4. EPR spectra in Si crystal n-type: 1—initial (control) samples of silicon; 2—samples Si after a magnetic treatment (B9 T, tMT110 hours). 5 Fig. 5. Dependence of the azimuthal polarization angle (tg) on the main angle of incidence (0) for the native SiO2 oxide/Si wafer system (curve 1), Si wafer measured before (point 2) and just after (point 3) exposure to magnetic field. Point 3 illustrates relaxation from point 3 when the wafer is kept in a state of rest for 9 days, while points 3and 3 care that for 129 and 395 days. 6 Fig. 6. Lines and slip bands formed during deformation of dislocation Si samples n-type after 6 days after magnetic treatment (а); initial (control) dislocation samples (б). 7 Fig. 7. The change of relative intensity of the EPR signal for the line with g2.0055 de- pending on the time elapsed after the magnetic treatment. Samples of silicon: 1—p-type; 2— n-type. I0—intensity of the EPR signal in control samples; I—the intensity of the EPR signal in samples after the magnetic treatment. 8 Fig. 8. Structure of dislocation samples Si p-type after 6 days after magnetic treatment (B9 T, tMT110 hours) (а); structure of initial (control) dislocation samples (б).

Зміна наноструктури та мікропластичних характеристик кристалів кремнію під впливом сильних магнетних полів

Institution

Ähnliche Einträge