Диссертация (1149284), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Выше уже былоотмечено, что в присутствии дислокации и ГРЗ H/D перемещается значительно быстрее, чемв идеальной кристаллической решётке. Прямое экспериментальное подтверждение эффекта«диффузии по трубе» («pipe diffusion») было представлено в in-situ ПЭМ эксперименте для Siпреципитатов в алюминии [165], подобное поведение следует ожидать и для H на ядредислокации в Si.Теоретические расчёты для процесса диффузии комплекса водород-солитонреконструированного ядра 90° частичной дислокации дают значение энергии активации~1,05 эВ [166].
Это значение заметно больше Em=0,48 эВ и тем более энергии миграциисвободного солитона вдоль ядра 0,15 эВ, но меньше значений из Табл.5. С другой стороны,46оценка для ядра реконструированной 90°-частичной дислокации с одинарным периодомпредсказывает энергию активации ~0,1 эВ [5], что говорит о практически свободномдвижении H в ядре. Таким образом, все указывает на то, что в большинстве случаев водородбудет с лёгкостью двигаться вдоль ядра дислокации пока не будет захвачен на какой-либодефект.2.6.5 Влияние водовода на диффузию примеси и миграцию дефектов в кремнииВодород может выступать в качестве катализатора диффузии для межузельногокислорода (Oi) [37; 167], а также оказывать влияние на эффективность распространениядислокационных петель [168].В первом случае, роль водорода проявляется в том, что он стабилизируетконфигурацию решётки в промежуточном положении при диффузии Oi, за счёт насыщенияразорванных Si связей [169]. Энергия активации диффузии Oi снижается почти в два разс 2,56 до 1,7 эВ, что приводит к увеличению её коэффициента.Во втором случае, обработка в водородной плазме приводит к падению энергииактивации движения дислокационных петель с 2,2 до 1,2 эВ, в сравнении с исходнымкристаллом.Теоретическоеобоснованиеуменьшенияэнергииактивациидвижениядислокационной линии [166] было приведено для реконструированной 90° частичнойдислокации и заключалось в том, что наличие водорода на неспаренной связи солитона,способствуетзарождениюперегибов,и,какследствие,увеличиваетподвижностьдислокации.
Расчётные значения полностью согласуются с экспериментальным даннымактивации движения дислокации как в присутствии водорода, так и в его отсутствии.2.7 Энергетические уровни в кремнии, связанные с водородом2.7.1 Собственные водородные ГУ в кремнииВодород в межузельном положении способен создать как донорный, так иакцепторный уровни в ЗЗ кремния. За донорный уровень ответственен H в BC-положении, заакцепторный – водород в Td-положении.Согласнорасчётам[99]значенияэнергииФерми,прикоторыхэнергииизолированного водорода в устойчивых положения для H+/H0 и H0/H¯попарно равны(Рис.6) соответствуют 0,2 и 0,6 эВ.
Таким образом, для донорного уровня (+/0) имеетсяотличное совпадение с определённым из DLTS энергетическим положением ГУ E3’ [76; 170]47равным 0,16 эВ. Что касается акцепторного ГУ, прямого экспериментального подтвержденияего существования к настоящему моменту нет. При этом измерения ёмкостных релаксаций[171] указывают на наличие акцепторного уровня расположенного в середине ЗЗ кремния на0,36 эВ ниже донорного (0,5-0,6 эВ). Кроме того, в экспериментах по изучению мюонияобнаружено, что Mu BCдаёт Ec-0,2 эВ, а MuT Ec-0,56 эВ [107], учитывая схожее поведения Hи Mu, можно сделать соответствующие выводы.Исходя из сказанного выше, водород должен иметь большую отрицательнуюэффективную энергию кулоновского взаимодействия, другими словами, являться примесью сотрицательной корреляционной энергией (U-negative).
В такой системе при переходе изодного из двух возможных нейтральных состояний в устойчивое заряженное происходитзначительное понижение энергии.2.7.2 Влияние водорода на ГУ различной примеси и дефектовИ все же, наиболее ярким эффектом, проявляющимся при гидрогенизациикристалла, является нейтрализация электрической активности большинства ГУ [154].Водороду приписывают пассивацию почти всех ГУ ассоциируемых с: переходнымиметаллами (Au, Ag, Cr, Fe, Mn, Pt, Pd, Zn); комплексами, включающих в свой составпереходные металлы (Cu, Ni); ГУ двухзарядными центрами халькогенидов (S, Se, Te);кислородными термодонорами; ГУ СТД и прочее.
В случае ряда переходных металлов(Au, Ag, Pt, Pd, Cu) сообщается [172; 173] об образовании электрически активных ВСК ипоявлению характерных для них ГУ в ЗЗ кремния.Для ГУ протяжённых дефектов в пластически деформированном кремнии [55; 174;175] и для рекомбинационных центров на ГРЗ в поликристаллическом кремнии, также имеетместо водородная пассивация (Рис.13).48Рис.13СпектрыDLTSдемонстрирующиеизменение концентрации дислокационных ГУ вa) n- и б) p-Si пластически деформированномкремнии (1) после Al геттерирования (2) ипоследующей водородной пассивации (3) [174]В заключении отметим, что в ряде работ [73; 176] на примере СТД идислокационных ГУ было продемонстрировано, что процесс пассивации носит ярковыраженный термоактивационный характер. Для СТД активация начинается при отжигахсвыше 150℃, для дислокационных ГУ пассивация наблюдается при 300℃.
Это практическине имеет никакого значения в случае гидрогенизации в H-плазме, поскольку данный процесссопровождается достаточным для активации пассивации разогревом. Однако весьмасущественно для ЖХТ гидрогенизации, которая проводится при комнатной температуре.Выводы к главе 2Анализ доступных на сегодняшний день литературных данных даёт основаниеговорить об огромном объёме экспериментальных результатов и теоретических расчётов,описывающих взаимодействию водорода с точечными дефектами в кремнии. Достоверноустановлены конфигурации большинства ВСК, влияние примеси на диффузию водорода ипрочее. Но главное, хорошо прослеживается методологическая база, позволяющая получатьдостоверныные результаты, которая признана и используется различными научнымигруппами по всему миру.Совсем по-другому обстоят дела с изучением взаимодействия водорода спротяжёнными дефектами в кремнии, в частности с дислокациями.
При том, что интерес кэтому процессу ничуть не меньше, а практическая ценность даже выше, чем в случаеточечных дефектов. Эксперименты по исследования взаимодействию дислокациями можно49даже назвать «робкими», тоже касается и методологической базы. Экспериментальныхрезультатов крайне мало, а в случае начальной стадии взаимодействия с дислокациями приотносительно низких температурах, они попросту отсутствуют, что оставляет большоеколичество вопросов и недосказанности.
Основной причиной сложившейся ситуацииявляется сложная конфигурация и состав большинства исследуемых дислокационныхструктур. Поэтому выбор сращенных кремниевых пластин – структур с хорошоопределённым дислокационным составом и с заданной локализацией дислокационной сетки,выглядит весьма перспективным с точки зрения экспериментального потенциала приисследовании взаимодействия водорода с дислокациями, а также отработки новых подходови методик.503. Образцы и методы3.1 Сращенные пластины кремнияОбразцы с интерфейсом сращенных пластин (СП) были изготовлены и предоставленыкомпанией Soitec, Гренобль, Франция. В качестве исходных пластин для сращенныхобразцов использовался кремний, выращенный методом Чохральского с ориентациейповерхности (100) и концентрацией легирующей примеси бора 1,2×10 15 см-3 и фосфора3×1014 см-3 для p- и n-типа проводимости соответственно.Табл.6 Описание и некоторые параметры исследуемых образцовПериод винтовыхдислокаций, нмУголразворота(twist), °/Ошибка±5%±0,05N114,51,5N221,61,0N48,12,7N65,534,0N85,224,2N104,654,7N123,95,65P149,122,4P167,612,9P185,394,1P204,874,5P225,174,25°ГлубиназалеганияСПинтерфейсаПериод 60°-Уголдислокаций, нмнаклона (tilt), °±10%±0,1400,55270,85задавалосьпосредствомпрецизионнойтехнологии SmartCut©, для чего одна из пластин подвергалась имплантации большимидозами ионов водорода.
Перед сращиванием полированные пластины Si подвергалисьтермическому окислению, после чего разориентировались относительно друг друга нанебольшой угол относительно оси (100) и приводились в соприкосновение при комнатной51температуре. В результате пластины взаимодействовали друг с другом за счёт ван-дерВальсовых сил, что позволяло отделить основную часть пластины, подвергшейсяимплантации по плоскости нарушенного слоя, и как результат получить ультратонкийверхний слой.
Далее для растворения захороненного оксидного слоя образцы отжигались втечение 2 часов в Ar2 атмосфере при температуре 1100°-1200℃. После отжига проводиласьфинальная химико-механическая полировка пластин [177].В нашем распоряжении находился набор из 7-ми образцов n-типа и 5-ти образцов pтипа. Глубина залегания интерфейса СП составляла 160-190 нм, общая толщина пластинравнялась 780±10 мкм. Угол разориентации относительно оси (100) (αtw) варьировалсяот 1° до 5,5°. Наряду с поворотной, в образцах также присутствовала наклоннаясоставляющая разориентации (αtilt).
Наклонная разориентация – это отклонениепластин от плоскопараллельности относительно оси лежащей в плоскости интерфейса.Если поворотная составляющая водилась намеренно и контролировалась с большойточностью [178], то малый угол наклонной разориентации – результат несовершенства,вызванного резкой и полировки исходных кремниевых пластин.
Углы поворота и наклонаопределялись из периода контраста изображений сетки винтовых и краевых дислокаций,полученных методом просвечивающеё электронной микроскопии (ПЭМ), согласно формулеФранка для ГЦК (Табл.6):d tw / tilt a2 sin tw / tilt 2 3.2 Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) является незаменимым методом дляисследования твёрдых тел, как в фундаментальных, так и прикладных областях науки.
Всоответсвии с названием, метод предполагает изучение структуры тонких образцов (фольг)путём пропускания через них высокоэнергетического пучка электронов. Значениеускоряющего напряжения пучка, помимо того, что определяет максимальную толщинуисследуемой фольги, задаёт такой параметр как длина волны де Бройля. Значение длиныволны де Бройля здесь на несколько порядков меньше длины волны видимого света в случаеоптического микроскопа, как результат максимсимальное разрешение ПЭМ определяютсяисключительно совершенством электро-магнитной оптики.52Рис.14 Устройство и схема хода электронного пучка в колонне ПЭМ Libra200FE в ПЭМ режиме.Современные ПЭМ микроскопы позволяют добиться субангстремного разрешения ивизуализировать колонки атомов в кристаллической решётке (начиная от H) или отдельныхатомов на моноатомных плёнках. Помимо прямого наблюдения структуры твёрдого тела,существуетогромноеколичествоаналитическихпримененийПЭМ,позволяющихклассифицировать дефекты и их ориентацию в кристалле, определять элементный состав наатомарном уровне, строить карты распределения этих элементов, определять ориентациюкристаллов, строить 3D томограммы и многое-многое другое.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
