Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Динамика дефектной структуры и акустическая эмиссия в кремнии при электрических и механических возмущениях

Диссертация: Динамика дефектной структуры и акустическая эмиссия в кремнии при электрических и механических возмущениях
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

В то же время, влияние магнитного поля на состояние дефектов в полупроводниках исследовано явно недостаточно, хотя эта проблема является весьма актуальной в связи х вопросом повышения надежности изделий микроэлектроники при воздействии внешних электрических и магнитных полей. Так, практически не изучена подвижность дислокационных сегментов в элементарных полупроводниках при различных временах… Читать ещё >

Динамика дефектной структуры и акустическая эмиссия в кремнии при электрических и механических возмущениях (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • 1. Состояние вопроса и задачи исследования
    • 1. 1. Природа акустической эмиссии в полупроводниках
    • 1. 2. Механизмы движения дислокаций
    • 1. 3. Механизмы торможения дислокаций
    • 1. 4. Электропластический и магнитопластический эффекты
      • 1. 4. 1. Электропластический эффект
      • 1. 4. 2. Магнитопластический эффект
  • 2. Методы исследования динамики дислокаций в кристаллах кремния
    • 2. 1. Введение дислокаций в пластины кремния
      • 2. 1. 1. Введение дислокаций по трехточечной схеме нагружения
      • 2. 1. 2. Введение дислокаций четырехопорным способом
    • 2. 2. Выявление дислокаций
    • 2. 3. Техника акустоэмиссионных исследований
  • 3. Акустическая эмиссия дислокационного кремния в электрическом поле
    • 3. 1. Обоснование дислокационной природы акустической эмиссии в кремнии
    • 3. 2. Взаимосвязь акустической эмиссии и электростимулированной миграции дислокаций в кремнии
    • 3. 3. Влияние электрического тока на активационные характеристики движения дислокаций
  • 4. Динамика дислокационных ансамблей в кремнии при механических воздействиях
    • 4. 1. Анализ дислокационного транспорта
    • 4. 2. Влияние внутренних напряжений на транспорт дислокаций в кремнии
    • 4. 3. Динамика линейных дефектов в поле внешних и внутренних сил
      • 4. 3. 1. Влияние внешней нагрузки на скорость перемещения дислокаций
      • 4. 3. 2. Изменение дислокационной динамики с уровнем действующих внутренних напряжений
    • 4. 4. Поведение дислокаций в кремнии в полях немеханической природы
  • 5. Дислокационный транспорт в кремнии в возмущающих полях различной природы
    • 5. 1. Динамика дислокационных ансамблей в кремнии при механических и магнитных возмущениях
      • 5. 1. 1. Эволюция примесных центров в магнитном поле
      • 5. 1. 2. Дислокационный транспорт в магнитном поле
    • 5. 2. Дислокации в поле комбинированного воздействия других возмущающих факторов (электрических и магнитных).,
    • 5. 3. Термооптическое возбуждение дислокаций в кристаллах кремния

Известно, что структурные несовершенства (дислокации) в полупроводниковых материалах появляются не только в процессе роста монокристаллов, но также генерируются при многоступенчатых технологических циклах производства приборов. Появившиеся дефекты способствуют возникновению ловушек и центров рассеяния носителей заряда при протекании электрического тока [1]. Помимо этого, наличие электрических [2] и механических [3] полей может приводить к движению дислокаций даже при комнатных температурах. Дрейфующая дислокация при пересечении активной области прибора может вывести его из строя [4,5]. Особенно чувствительны к этому приборы с высокой степенью интеграции. Вот почему вопросы «дислокационной» динамики представляются весьма актуальными. Более того, при исследовании пластичности наиболее предпочтительным является использование неразрушаюгцих методов диагностики, которые в сочетании с соответствующей математической обработкой позволяют воссоздать картину перемещения и взаимодействия дислокаций. Поэтому в данной работе исследование транспорта линейных дефектов осуществлялось методом акустической эмиссии и селективного травления.

Результаты последних исследований показали, что одним из возможных факторов управления дислокационным транспортом могут служить магнитные поля. Значительные исследования магнитопластического эффекта проведены на ионных кристаллах [6−8]. В качестве доминирующего механизма, объясняющего экспериментально обнаруженные изменения подвижности дислокаций в магнитном поле, принят механизм спин-зависимых реакций дефектов [15−19].

В то же время, влияние магнитного поля на состояние дефектов в полупроводниках исследовано явно недостаточно, хотя эта проблема является весьма актуальной в связи х вопросом повышения надежности изделий микроэлектроники при воздействии внешних электрических и магнитных полей. Так, практически не изучена подвижность дислокационных сегментов в элементарных полупроводниках при различных временах выдержки образцов в магнитном поле. Отсутствуют сведения о кинетических и полевых зависимостях дислокационных пробегов в элементарных полупроводниках, подвергнутых обработке магнитным полем. Практически отсутствует информация по разграничению роли различных типов стопоров, взаимодействующих с движущейся дислокацией в легированном полупроводнике. Ограничены сведения и по кинетике пробега дислокаций в кристаллах с неоднородным пространственным распределением линейных дефектов. Анализу этих важнейших вопросов и посвящена настоящая работа. 6

Основные результаты и выводы

1. Исследовано движение краевых дислокаций и связанная с ним акустическая эмиссия кремния при протекании постоянного электрического тока плотностью 0.5−5.0 А/т в интервале температур Т= 300−450К. Показано, что определяющим механизмом перемещения дислокаций является сила электронного (для n-Si) или дырочного (для p-Si) ветра, определяющая величину эффективного заряда, приходящегося на один атом дислокационной линии.

Согласование теории с экспериментом позволило установить основной вклад краевых дислокаций в акустоэмиссионный отклик исследуемых образцов кремния. Установлены характерные частоты перехода дислокаций в пи p-Si из одного метастабильного состояния в другое (fmax = 0.1−0.5 Hz). Оценено численное значение подвижности дислокаций в электрическом поле 1.4−10″ 12 m2/(V-s).

2. Впервые зафиксировано и описано смещение дислокационных полупетель (30.50 mkm) в неоднородном поле внутренних напряжений кристалла Si с концентратором напряжений (царапиной) при 0.5.3 h изотермическом отжиге (600.700 °С).

На примере петлевых дислокаций оценено влияние внутренних напряжений на транспорт линейных дефектов в пи p-Si в поле внешних упругих сил в пределах первых 20-ти минут изотермического отжига. Зафиксированы идентичные скорости перемещения дислокаций в кристаллах с внутренними и внешними напряжениями, связанные с доминирующим влиянием внутренних напряжений (о]>гГ"сгехг) на начальном этапе перемещения дислокаций (xmax~ 60 mkm) в области царапины.

3. Проведено описание дислокационного транспорта с учетом собственного (решеточного) потенциального барьера кристалла и двух видов

109 стопоров на базе магниточувствительных точечных дефектов (легирующая примесь) и дислокаций леса. Оценены энергетические параметры процесса открепления линейных дефектов от «дислокационных» и магниточувствительных стопоров.

По согласованию эксперимента с теорией рассчитаны парциальные скорости перемещения дислокаций и их времена задержки на различных типах стопоров.

4. Предложена кинетическая модель магнитостимулированных изменений подвижности линейных дефектов, связанных с образованием долгоживущих комплексов с участием парамагнитной примеси.

Обнаружен эффект «магнитной памяти» дислокационного кремния и рассмотрены кинетические аспекты эффекта при естественных условиях хранения образца после отключения магнитного поля. Впервые получена зависимость максимального пробега дислокаций от времени экспозиции образцов в магнитном поле.

Впервые экспериментально зафиксировано уменьшение энергии активации перемещения дефектов с 2.2+0.2 eV для необработанного магнитным полем кристалла до 1.6+0.2 eV после экспозиции в МП. — ' 5. Проведено рассмотрение дислокационного транспорта при комбинированном воздействии электрических, магнитных, оптических и механических полей на кристалл Si. Показано, что облучение светом вызывает резкое увеличение скоростей линейных дефектов и уменьшение активационных барьеров с 2.2±0.2 eV до 0.9±0.2 eV, связанное с рекомбинационно-стимулированными реакциями на дефектах. Оценены энергетические характеристики перемещения дислокаций при соответствующих видах воздействия.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Cavalcoli D., Cavallini A., Combia E. Energy Levels Associated with Extended Defects in Plastically Deformed n-Type Silicon.// J. Phys. 1997. Vol. 53. № 7.1. P. 1399−1409.
  2. A.M., Скворцов A.A., Фролов B.A. Акустическая эмиссия в дислокационном кремнии при токовых и тепловых воздействиях.// Письма в ЖТФ. 1999. Т.25. Вып.З. С.28−32.
  3. В.В., Смирнов Б. И., Солнцева И. Ю. О движении дислокаций в монокристаллах кремния при комнатной температуре.// Изв. академии наук СССР. Сер. Физ. 1987. Т.51. № 4. С.768−773.
  4. Mil’stein S. Dislocations in Microelectronics.// Phys. Stat. Sol. (a). 1999. Vol. 171. № 2. P.371−376.
  5. Malecki I., Ranachowski J. Application of Acoustic Emission (AE) Method for Monitoring the Electrical Power Devices.// Ultrason. World Congr. Berlin. 1995. Proc. Pt.2. P.609−610.
  6. В.И., Даринская E.B. Магнитопластический эффект в кристаллах LiF и продольная релаксация спинов.// ПЖЭТФ. 1999. Т.70. Вып.11−12. С.749−753.
  7. Е.В., Колдаева М. В. Магнитостимулированное упрочнение кристаллов NaCl (Pb).//ПЖЭТФ. 1999. Т. 70. Вып.3−4. С.226−228.
  8. ГоловЙн. Ю.И., Моргунов Р. Б. Магнитная память дислокаций в монокристаллах NaCl.//ПЖЭТФ. 1993. Т.58. Вып.З. С.189−192.
  9. Ю.И., Моргунов Р. Б. и др. Влияние магнитного поля на пластичность, фото- и электролюминесценцию монокристаллов ZnS.// ПЖЭТФ. Т.69. Вып.2. С. 114−118.1.l
  10. Liu F., Mostoller M., Milman V. & others. Electronic and Elastic Properties of Edge Dislocations in Si.// Phys. Rev. B. 1995. Vol.51. № 23. P. 17 192−17 195.
  11. С.А. Влияние отжига на дислокационную электропроводность германия.// ФТП. 2000. Т.34. Вып.5. С.543−549.
  12. М.Велиев З. А. Концентрация электронов во внешних полях в полупроводниках с заряженными дислокациями.// ФТП. 1999. Т.ЗЗ. Вып.11. С.1300−1302.
  13. В.А., Стебленко Л. П., Горидько Н. Я. О влиянии постоянного магнитного поля на электропластический эффект в кристаллах кремния.// ФТТ. 2001. Т.43. Вып.З. С.462−465.
  14. A.M., Скворцов А. А., Гончар Л. И. Магнитостимулированное изменение подвижности дислокаций в пластически деформированном кремнии п-типа.// ФТТ. 2001. Т.43. Вып.7. С.1207−1210.
  15. B.C., Кривенко Л. Ф. Исследование акустической эмиссии, сопровождающей элементарные акты пластической деформации и разрушения твердых тел.// ФТТ. 1988. Т.30. Вып.З. С.716−723.
  16. К.А. Переходное излучение звука винтовой дислокацией, выходящей на поверхность изотропной пластины.// ФТТ. 1989. Т.31. Вып. 1. С.223−229.
  17. B.C., Кившик В. Ф., Кривенко Л. Ф. Экспериментальное исследование звукового излучения при аннигиляции дислокаций в кристалле.// ЖЭТФ. 1980. Т.78. Вып.2. С.797−801.112
  18. В.А., Кучеров И. Я., Перга В. М. Акустоэмиссия полупроводников при протекании электрического тока.// ФТП. 1988. Т.22, № 4. С.578−581.
  19. К.А. Звуковое излучение при развитии сквозной трещины в / пластине.// ФТТ. 1994. Т.36. № 8. С.2145−2153.
  20. Arias R., Lund F. Elastic Fields of Stationary and Moving Dislocations in Three-Dimensional Finite Samples.// Journal of the mechanics and physics of solids. 1999. Vol.47. P.817−841.
  21. Zapperi S., Vespignani A., Stanley H.E. Modeling Acoustic Emission in Microfracturing Phenomena.//Mat. Res. Soc. Proc. 1996. Vol.409. P.355−359.
  22. Г. А. Акустопластический эффект и механизм суперпозиции напряжений.//ФТТ. 2000. Т.42. Вып.1. С.69−75.
  23. A.M., Скворцов А. А., Фролов В. А. Изменение спектра акустической эмиссии дислокационного кремния при токовых и тепловых воздействиях.// Письма в ЖТФ. 1999. Т.25. Вып.21. С.52−58.
  24. М.А., Алиева Х. О., Селезнев В. В. Диффузионные свойства пластически деформированных кристаллов кремния.// ФТТ. 1999. Т.41. Вып.6. С.1028−1030.
  25. А.Н. Введение в теорию дефектов в кристаллах. М.: Высшая школа. 1983. 144 с.
  26. .В. Модель скачкообразного движения дислокаций.// Кристаллография. 1998. Т.43. № 6. С.1118−1123.
  27. Pizzini S. Chemistry and Physics of Segregation of Impurities at Extended Defects in Silicon.//Phys. Stat. Sol. (a). 1999. Vol.171. P.123−132.
  28. L.B., Stokbro K., Lundovist B.I. & others. Nature of Dislocations in Silicon.// Phys. Rev. Let. 1995. Vol.75. № 24. P.4444−4447.113
  29. Joos В., Ren Q. Peierls-Nabarro Model of Dislocations in Silicon with Generalized Stacking-Fault Restoring Forces.//Phys. Rev. В 50. 1994. P.5890−5900.
  30. М.П. Кристаллография. M.: Высшая школа. 1984. 376 с.33'.Kolar H.R., Spence J.C.H., Alexander Н. Observation of Moving Dislocation Kinks and Unpinning.// Phys. Rev. Let. 1996. Vol.77. № 19. P.4031−4034.
  31. Spence J.C.H., Kolar H.R., Alexander H. ТЕМ Imaging of Dislocation Kinks, Their Motion and Pinning.// J. Phys. Ill France. 1997. № 7. P.2325−2338.
  32. H.B., Красильников B.B., Неклюдов H.B., Пархоменко А. А. Кинетика дислокационных ансамблей в деформируемых облученных материалах.// ФТТ. 1998. Т.40. № 9. С.1631−1634.
  33. В.Б., Шикина Ю. В. Заряженные дислокации в полупроводниковых кристаллах.// УФН. 1995. Т.165. № 8. С.887−917.
  34. З.А. О заполнении дислокационных уровней в сильных электрических полях.//ФТП. 1998. Т.32. № 1. С.36−37.
  35. Patel J.R., Freeland Р.Е. Change of Dislocation Velocity With Fermi Level in. Silicon.//Phys. Rev. Lett. 1967. Vol.18. № 20. P.833−834.
  36. Ю.С., Грабко Д. З., Мединская М. И., Палистрант К. А. Механический свойства чистых и легированных кристаллов InP, выявляемые при лока&ном нагружении.// ФТП. 1997. Т.31. № 2. С. 179−182.
  37. .И. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках. Ленинград. Наука. 1972 г. 384 с.
  38. Н.Я., Макара В. А., Новиков Н. Н., Стебленко Л. П. Влияние термообработки и металлизации поверхности на процесс открепленияшдислокаций от примесных центров в кристаллах кремния.// ФТТ. 1989. Т.31. № 5. С.31−34.
  39. Feklisova O.V., Mariani-Regula G., Pichaud В., Yakimov E.B. Oxygen Effect on Electrical and Optical Properties of Dislocations in Silicon.// Phys. Stat. Sol. (a). 1999. Vol.171. P.341−346.
  40. R., Stach E.A., Tromp R. & others. Interactions of Moving Dislocations in Semiconductors with Point, Line and Planar Defects.// Phys. Stat. Sol. (a) 1999. Vol.171. P. 133−146.
  41. Т., Есинага X., Такеути С. Динамика дислокаций и пластичность. М.: Мир. 1989.296 с.
  42. В.И., Троицкий О. А. Электропластическая деформация металлов. М.: Наука. 1985.278 с.
  43. В.А., Стебленко Л. П., Обуховский В. В., Робур Е. Г. Электропластический эффект в кристаллах кремния.// ФТТ. 1994. Т.36. № 9. С.2618−2621.
  44. В.Я. Воздействие направленного потока электронов на движущиеся дислокации.//ЖЭТФ. 1966. Т.51. 1676−1681.
  45. В.Б. Ионная проводимость в металлах и полупроводниках (электроперенос). М.: Наука. 1969. 296 с.
  46. ЕЕ., Касумов А. Ю. Прямое наблюдение электропереноса дислокаций в металле.//ФТТ. 1988. Т.ЗО. № 1. С.311−314.
  47. В.А., Стебленко Л. П., Горидько Н. Я. и др. Подвижность дислокаций в кристаллах кремния под действием электрического тока разных плотностей.// Укр. ф13. ж. (Укр. физ.ж.). 1997. Т.42. № 3. С.328−331.115
  48. В.А., Стебленко Л. П., Горидько Н. Я. Влияние электрического тока на стартовые характеристики и акгивационные параметры коротких дислокаций в кристаллах кремния.// ФТТ. 2001. Т.42. № 5. С.854−858.
  49. В.И., Даринская Е. В., Михина Е. Ю., Петржик Е. А. Влияние электрического поля на подвижность дислокаций в магнитном поле.// ФТТ. 1996. Т.38. № 8. С.2426−2430.
  50. В.И., Даринская Е. В., Перекалина Т. М. и др. О движении дислокаций в кристаллах NaCl под действием постоянного магнитного поля.//ФТТ. 1987. Т. 29. Вып.2. С.467−471.
  51. Ю.И., Моргунов Р. Б., Жуликов С.Е: Влияние постоянного магнитного поля на преодоление дислокациями короткодействующих препятствий в монокристаллах LiF.// ФТТ. 1997. Т. 39. Вып.З. С.495−496.
  52. В.И., Даринская Е. В., Казакова O.J1. Магнитопластический эффект в облученных кристаллах NaCl и LiF.// ЖЭТФ. 1997. Т.111. Вып.2. С.615−626.
  53. М.И. Возможный механизм магнитопластического эффекта.// ФТТ. 1991. Т.ЗЗ. Вып. 10. С.3112−3115.
  54. Ю.И., Моргунов Р. Б., Иванов В.Е. In situ исследование влияния магнитного поля на подвижность дислокаций в деформируемых монокристаллах КС1: Са.// ФТТ. 1997. Т. 39. Вып.4. С.630−633.
  55. О.И., Алексеенко В. И. Внутреннее трение в магнитообработанном материале с дислокациями.// ФТТ. 1997. Т.39. Вып.7. С. 1234−1236.
  56. Molotskii M.I., Kris R.E., Fleurov V. Internal Friction of Dislocations in a Magnetic Fields.// Phys. Rev. B. 1995. Vol.51. № 18. P. 12 531−12 536.
  57. Ю.И., Моргунов Р. Б., Лопатин Д. В. и др. Обратимые и* необратимые изменения пластических свойств кристаллов NaCl, вызванные действием магнитного поля.// ФТТ. 1998. Т.40. № 11. С.2065−2068.116
  58. Ю.И., Моргунов Р. Б., Жуликов С. Е. и др. Дислокационное зондирование состояния дефектов решетки, возбужденных импульсом магнитного поля в ионных кристаллах.// ФТТ. 1997. Т.39. № 4. С.634−639.
  59. В.В., Осипьян Ю. А., Шалыкин А. И. Модель спин-зависимой рекомбинация свободных носителей через дислокационные оборванные связи в магнитных полях.//ЖЭТФ. 1982. Т.85. Вып.2/8). С.699−705.
  60. Scandian С., Azzouzi Н., Maloufi N. et al. Dislocation Nucleation and Multiplication at Crack Tips in Silicon.// Phys. Stat. Sol. (a). 1999. Vol.171. P.67−82.
  61. Бонч-Бруевич B.JI., Калашников С. Г. Физика полупроводников. М.: Наука. 1990,688 с.
  62. Ю.А., Литвинов Ю. М., Фаттахов Э. А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь. 1982. 240 с.
  63. Ю. П. Выявление тонкой структуры кристаллов. М.: Металлургия. 1974. 528 с.
  64. В.А., Дробот Ю. Б. Акустическая эмиссия. М.: Стандарты. 1976. 228 с.
  65. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. Голямина И. П. М.: Советская энциклопедия. 1979. 400 с.
  66. Проектирование датчиков для измерения механических величин. Под ред. Осадчего Е. П. М.: Машиностроение. 1979. .4180 с.
  67. В.И., Кажис Р.-И.Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. Вильнюс: Минтис. 1975. 255 с.
  68. Мйрпл-мл С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир. 1990. 584 с. in
  69. А.А., Орлов A.M., Насибов А. С., Литвиненко О. В. Акустическая эмиссия в сульфиде кадмия при токовых и тепловых воздействиях.// ПЖТФ. 2000. Т.26. Вып.22. С.36−43.
  70. А.А., Орлов A.M., Фролов В. А., Соловьев А. А. Электростимулированное движение краевых дислокаций в кремнии при комнатных температурах.//ФТТ. 2000. Т.42. Вып.11. с. 1998−2003.
  71. . Дислокации. М.: Мир. 1967. 626 с.
  72. Yonenaga I., Werner М., Bartsch М., Messerschmidt U., Weber E.R. Recombination-Enhanced Dislocation Motion in SiGe and Ge.// Phys. Stat. Sol. (a). 1999. Vol.171. P.35−40.118 —
  73. А.А., Орлов A.M., Соловьев А. А. Акустоэмиссионное зондирование линейных дефектов в кремнии.// ФТТ. 2001. Т.43. Вып.4. С.616−618.
  74. Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат. 1972. 600 с.
  75. Patel J.R., Testardi L.R., Freeland Р.Е. Electronic Effects on Dislocation Velocities in Heavily Doped Silicon.//Phys. Rev. B. 1976. Vol.13. № 5. P.3548−3557.
  76. В.И. Реакция системы дислокация-примесь на электромагнитное воздействие. //ЖТФ. 2000. Т.70. Вып.6. С.63−66.
  77. Л.Д., Лифшиц Е. М. Теория упругости. М. Наука. 1965. 204 с.
  78. Patel J.R. Delay Time of Plastic Flow in Germanium.// Phys. Rev. Lett. 1956. Vol.101. P.1436−1437.
  79. H.H. Структура и структурно-чувствительные свойства реальных кристаллов. Киев. Вища школа. 1983. 264 с.
  80. Malygin G.A. Dislocation self-organization processes and crystal plasticity.// Physics. Uspekhi. 1999. Vol.42 № 9. P.887−916.119
  81. В.И., Даринская Е. В., Петржик Е. А. «In situ» изучение магнитопластического эффекта в кристаллах NaCl методом непрерывного травления.//ФТТ. 1991. Т.ЗЗ. Вып. 10. С. 3001−3010.
  82. В.И., Даринская Е. В., Петржик Е. А. Магнитопластический эффект в монокристаллах алюминия.//ФТТ. 1992. Т.24. № 1. С.155−158.
  83. Бучаченко A. JL, Сагдеев Р. З., Салихов Е. М. Магнитные и спиновые эффекты в химических реакциях. Новосибирск: Наука. 1978. 324 с.
  84. А.А., Соловьев А. А. Магнитная память монокристаллов кремния с дислокациями.// Труды Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов» 2002 г. (4−7 июня). Черноголовка, пансионат «Дружба». С. 226.
  85. К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. М.: Мир. 1984. 475с.
  86. Г. Электроника дефектов в полупроводниках. М.: Мир. 1974. 463с.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!