Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Исследование термоакустических эффектов в кремниевых пластинах

Диссертация: Исследование термоакустических эффектов в кремниевых пластинах
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Произведено теоретическое рассмотрение акустической эмиссии при равномерном и скачкообразном скольжении краевых дислокаций в изотропной полупроводниковой пластине. Впервые получены аналитические выражения для формы спектра плотности звуковой энергии такого излучения в приближении волновой зоны и близких расстояний от системы движущихся дислокаций. Проанализированы температурные поля, создаваемые… Читать ещё >

Исследование термоакустических эффектов в кремниевых пластинах (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • 1. Состояние вопроса и постановка задачи
    • 1. 1. Термоакустическая диагностика различных материалов, включая полупроводниковые структуры
      • 1. 1. 1. Типы источников термоупругих возмущений
      • 1. 1. 2. Типы возбуждаемых акустических волн
      • 1. 1. 3. Нелинейные акустические исследования
    • 1. 2. Акустоэмиссионные методы контроля дефектной структуры
  • 2. Тепловое действие импульсного тока на структуры металлизации
    • 2. 1. Анализ температурных полей структур металлизации при импульсном токовом воздействии
      • 2. 1. 1. Случай точечного источника нагрева
      • 2. 1. 2. Случай прямоугольной дорожки бесконечной длины
    • 2. 2. Методика проведения эксперимента
    • 2. 3. Динамика температуры импульсно нагреваемой дорожки металлизации
  • 3. Возбуждение звукового излучения тонкой пластины термоударами
    • 3. 1. Анализ возбуждения изгибных колебаний пластины точечным источником импульсного нагрева
    • 3. 2. Экспериментальные результаты и их обсуждение
      • 3. 2. 1. Результаты регистрации изгибных колебаний в полупроводниковой пластине
      • 3. 2. 2. Вероятность пластической деформации пластины при термоударе
  • 4. Акустическая эмиссия (АЭ) при образовании и скольжении дислокаций
    • 4. 1. Анализ спектральной плотности АЭ при зарождении и скольжении краевой дислокации в изотропной среде
      • 4. 1. 1. Приближение волновой зоны
      • 4. 1. 2. Приближение малых частот и больших расстояний
      • 4. 1. 3. Приближение для малых расстояний от системы дислокаций
    • 4. 2. Методика проведения эксперимента
  • 5. Ультразвуковые исследования ангармонизма упругих свойств монокристаллов кремния
    • 5. 1. Анализ вклада носителей заряда в модули упругости кремния п- и р-типов проводимости
      • 5. 1. 1. Влияние перераспределения электронов по долинам на ангармонизм упругих свойств кристалла
      • 5. 1. 2. Влияние перераспределения дырок в валентной зоне на ангармонизм упругих свойств кристалла
    • 5. 2. Методика измерения модуля упругости 4-го порядка
      • 5. 3. 1. Концентрационный ангармонизм
      • 5. 3. 2. Дислокационный ангармонизм

Одной из основных проблем современной микроэлектроники является обеспечение устойчивой работы полупроводниковых приборов. Отказы электронного оборудования преимущественно связаны с эксплуатационным изменением физико-химических свойств материалов под воздействием внешних факторов [1−3], таких как образование микродефектов в полупроводниковой матрице, электромиграционная деградация слоев металлизации и т. д. При высоких уровнях интеграции особенно остро встает деградационная проблема, связанная с термическим разрушения металлизации [1, 2]. Этому способствует приближение локальных плотностей тока к критическим значениям 1011 А/м2 [4, 5].

Связанные с токовым нагревом высокие перепады температур приводят, за счет термоупругого эффекта, к возбуждению в материале микросхемы звукового излучения. Распространение акустических волн, эффективно взаимодействующих с упругой средой, оказывает влияние на прочность соединения элементов конструкции прибора, и, следовательно, его долговечность [6]. В то же время, звуковая волна несет подробную информацию о происходящих в источнике ее возбуждения процессах, на чем основаны методы термоакустической диагностики состояния полупроводников и полупроводниковых структур [7−9].

Из вышесказанного вытекает необходимость детального исследования акустических явлений в слоях металлизации, что позволит подобрать оптимальные для работы приборов режимы токовой нагрузки.

Другой наиболее распространенной причиной отказов интегральных схем является генерация дефектов в области высоких термических напряжений, способствующих накоплению усталости материала при частых включениях-выключениях полупроводникового прибора [3, 10]. Такое образование и разрастание дислокационной структуры характеризуется специфическим излучением звука — акустической эмиссией [11], регистрация и анализ которого дают информацию о скорости и масштабах деградации в полупроводниковой матрице.

Несмотря на повышенный интерес к исследованиям акустической эмиссии и возбуждения термоупругих волн, имеющаяся на сегодняшний день информация отражает не все аспекты данной проблемы. Так, например, имеются трудности с созданием аналитических моделей, описывающих термоакустические явления и позволяющих производить расчет критических режимов функционирования слоев металлизации. Это позволило бы производить неразрушающий контроль сформированных в полупроводниковой пластине микроэлектронных приборов с помощью регистрации звукового излучения.

Поэтому основной целью настоящей работы явилось теоретическое и экспериментальное изучение связанных с тепловыми процессами звуковых волн в кремниевых структурах.

Основные результаты и выводы.

1. Проанализированы температурные поля, создаваемые в полупроводниковой пластине точечным и прямоугольным участками металлизации при токовом импульсном нагреве. Построена адекватная эксперименту математическая модель, пригодная как для расчета температурных режимов слоев металлизации, так и изучения термоупругой генерации изгибных колебаний пластины.

2. Решена прикладная задача о возбуждении точечным источником импульсного нагрева изгибной волны в пластине. Измерена скорость распространения изгибных колебаний 1.5 км/с в кремниевой пластине толщиной И = 350 мкм и коэффициенты затухания различных волновых гармоник. На основании полученного решения предложен метод акустической диагностики режимов безопасной работы структур металлизации.

3. Путем анализа поверхностной составляющей термоупругих напряжений подложки предсказано и обнаружено зарождение поверхностных петлевых дислокаций по периметру дорожек металлизации.

4. Произведено теоретическое рассмотрение акустической эмиссии при равномерном и скачкообразном скольжении краевых дислокаций в изотропной полупроводниковой пластине. Впервые получены аналитические выражения для формы спектра плотности звуковой энергии такого излучения в приближении волновой зоны и близких расстояний от системы движущихся дислокаций.

5. Рассмотрен концентрационный энгармонизм упругих свойств в донорном и акцепторном кремнии. Предложена методика экспериментального определения деформационных потенциалов зонной структуры. Измерены константа деформационного потенциала зоны проводимости Н&bdquo- = 7 ± 1 эВ и усредненное по четвертой степени значение деформационного потенциала валентной зоны при деформации кристалла вдоль направления [110].

6. Исследован дислокационный энгармонизм в донорном и акцепторном кремнии. Показэно, что вводимые изгибом плэстины геометрически необходимые дислокэции имеют крэевой характер.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Haavind. R. Another Centure of Discovery //Sol. State Tech., 1999, v. 42, № 12, p. 12−17.
  2. Burggraaf. P. Microelectronics' nanotechnology future // Sol. State Tech., 2000, v. 43, № l, p.63−66.
  3. М.И., Строганов A.B. Геронтология кремниевых интегральных схем // Микроэлектроника, 2001, т. 30, № 2, с. 147−160.
  4. Frost H.J. Microstructural evolution in thin films // Mater. Charact., 1994, № 4, p. 257−273.
  5. P., Кейминс. Т. Элементы интегральных схем. М.: Мир, 1989, 630 с.
  6. Р.А., Каримов А. В., Исмаилов Х. Х., Заверюхин Б. Н. Акусто-стимулированная адгезия пленок никеля к кремнию // Поверхность. 2000, № 10, с. 92−94.
  7. Briggs G.A.D., Kolosov O.V., Puentes Heras M.N. Material characterization by surface acoustic waves from 200MHz to 20GHz // Acoust. Image, v. 22: Proc. 22nd Int. Symp., Florence, Sept. 3−7, 1995, New York, London. 1996, p. 657−664.
  8. В. С., Куксенко В. Н., Савельев С. А. и др. Оценка энергии источника упругих волн по параметрам акустических сигналов // Письма в ЖТФ, 1987, т. 19, с. 28−32.
  9. Kato N.I., Nishikava A., Saka Н. Dislocations in Si generated by fatique at room temperature // Mater. Sci. Semicond. Process., 2001, v. 4, № 1−3, p. 113 115.
  10. B.A., Дробот Ю. Б. Акустическая эмиссия. М.: Изд-во стандартов, 1976, 272 с.
  11. . JI.M. Лазерное термооптическое возбуждение звука. М.: Наука, 1989, 240 с.
  12. X., Ни Hanping, Хи Xianfan. Photo-acoustic measurement of thermal conductivity of thin films and bulk materials // Trans. ASME J. Heat Transfer., 2001, v. 123, № l, p. 138−144.
  13. Takabatake N., Kobayashi Т., Sekine D., Izumi T. Thermal characterization of CVD diamond film by photoacoustic method // Appl. Surface Sci., 2000, v. 159−160, p. 594−598.
  14. Aindov A.V., Dewhurst R. J., Hutchins D.A., Palmer S.B. Laser generated ultrasonic pulses at free metal surfaces // J. Acoust. Soc. Amer., 1981, Vol.69, № 2, p. 449−455.
  15. Л.Б., Семухов B.C., Бушмелева К. И. Зависимость скорости ультразвука от действующего напряжения при пластическом течении поликристаллов/ЖТФ, 1999, т. 69, вып. 12, с. 100−101.
  16. К.Л., Глазов А. Л. Теоретическое и экспериментальное исследование фотоакустического и электронно-акустического эффектов в твердых телах с внутренними напряжениями // ЖТФ, 2000, т. 70, вып. 8, с. 69−76.
  17. Л.М. Радиационная акустика. M.: Наука, 1996.304 с.
  18. Atalla S.R. The ac-heated strip technique for the measurement of thermal properties of thin solid nonconducting layers // 14 Symposium on Thermo-physical Properties, Boulder, Colo< June 25−30, 2000. Int. J. Thermophys., 2002, v. 23, № l, p. 253−265.
  19. Л.Д., Лифшиц Е. М. Теория упругости. М.: Наука, 1987, 248 с.
  20. А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967, 600 с.
  21. .Г. Задачи теории теплопроводимости и термоупругости: Решения в бесселевых функциях. М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1980, 400 с.
  22. A.M., Пирогов A.B., Емельянова Т. Г. Разрушение слоев металлизации в импульсном токовом режиме // Неорганические материалы, т. 29, № 11, 1993, с. 1559−1562.
  23. A.A., Орлов A.M., Саланов A.A. Деградационные процессы в системе алюминий-кремний при импульсных электрических воздействиях // Письма в ЖТФ, 2001, т. 27, вып. 19, с. 76−84.
  24. A.M., Скворцов A.A., Пирогов A.B., Фролов В. А. Изгибные колебания полупроводниковых пластин при наличии импульсного источника возбуждения тепловой природы // Письма в ЖТФ, 1999, т. 25, вып. 3, с. 57−63.
  25. А.И., Клоков А. Ю., Галкина Т. П. Генерация неравновесных фо-нонов в полупроводниках и диэлектриках импульсно нагреваемой металлической пленкой: модель и эксперимент // ФТТ, 2001, т. 43, вып. 3, с. 446−451.
  26. Gersenson М.Е., Gong D., Sato T., Karasik В., Sergeev A.V. Millisecond electron-phonon relaxation in ultrathin discordered metall films at millikelvin temperatures // Appl. Phys. Lett., 2001, v. 79, № 13, p. 2049−2051.
  27. В.А., Крылов B.B. Введение в физическую акустику. М.: Наука. 1984. 400 с.
  28. El-Raheb M., Wagner P. Transient flexural vawes in a disk and squere plate from off-center impact // J. Acoust. Soc. Amer., 2001, v. 110, № 6, p. 29 913 002.
  29. . M.Jl. Лазерное возбуждение изгибных волн и их рассеяние фрактальными неоднородностями в тонкой пластине // ЖТФ, 2002, т.72, вып. 5, с. 138−140.
  30. К.Л. Теория генерации механических колебаний лазерным излучением в твердых телах с внутренними напряжениями на основе термоупругого эффекта//ЖТФ, 1999, т. 69, вып. 7, с. 59−63.
  31. К.Л. К теории генерации механических колебаний лазерным излучением в твердых телах с внутренними напряжениями термоупругим методом // Письма в ЖТФ, 1998, т. 24, № 13, с. 82−88.
  32. К.Е. О механизме аномального роста модуля Юнга при деформации кристаллов. // ФТТ. 1994, т. 36, вып. 12, с. 3587−3595.
  33. С.А., Шемякин В. В. Диагностика стальных вертикальных резервуаров методом акустической эмиссии // Транспортировка и хранение нефтепродуктов, 2001, № 3, с. 18−19.
  34. Г. А., Недзвецкая О. В., Сергеев В. Н., Злобин Д. В. Оценка возможностей метода акустической эмиссии при контроле магистральных трубопроводов // Дефектоскопия, № 2, с. 29−36.
  35. В.А. Акустическая эмиссия и динамическая релаксация нехимической энергии при мартенситных превращениях // Письма в ЖТФ, 1999, Т.25, вып.13, С.15−22.
  36. P., Chmrlic F., Sima V. & all. Microstructure processes indused by phase transition in a CiiAu alloy by acoustic emission and optical cinematography//Acta. Mater., 1999, Vol. 47, № 1, p. 427−434.
  37. И.В., Тхорин В. А., Цитилиано А. Д. Акустическая эмиссия в процессе лазерного отжига монокристаллов кремния // ФТТ, 1997, т. 39, вып. З, С.505−509.
  38. В.А., Кучеров И. Я., Перга В. М. Акустоэмиссия полупроводников при протекании электрического тока // ФТП. 1988. Т.22, № 4. С.578−581.
  39. A.M., Скворцов A.A., Фролов В. А. Акустическая эмиссия в дислокационном кремнии при токовых и тепловых воздействиях // Письма в ЖТФ, 1999, т.25, № 3, с. 28−32.
  40. B.C., Гарбер Р. И., Косевич A.M. Обратимая пластичность кристаллов. М.: Наука, 1991, 280 с.
  41. В.Д., Чишко К. А. Звуковое излучение при аннигиляции дислокаций//ФТТ. Т. 14, вып. 11, 1972, с. 3126−3132.
  42. В.Д., Чишко К. А. // Звуковое излучение дислокаций, движущихся у поверхности кристалла// ФТТ, 1978, т.20, вып.2, с. 457 -465.
  43. . К.А. Переходное излучение звука винтовой дислокацией, выходящей на поверхность изотропной пластины // ФТТ. Т. 31, вып. 1, 1989, с. 223 -229.
  44. 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.
  45. Trochidis A., Polyros В. Dislocation Annihilation and Acoustic Emission During Plastic Deformation of Crystals // J. Mech. and Phys. Solids, 1994, vol. 42, № 12, p. 1933 1944.
  46. B.C., Кривенко Л. Ф. Исследование пространственного распределения звукового излучения при пересечении поверхности скоплением дислокаций //ЖЭТФ. 1981, Т. 80, вып. 1, с. 225 261.
  47. B.C., Кривенко Л. Ф. Исследование акустической эмиссии, сопровождающей элементарные акты пластической деформации и разрушения твердых тел // ФТТ. 1988, т. 30, вып. 3, с. 716−723.
  48. Mil’shtein. S. Dislocations in microelectronics // Phys. stat. sol. (a), v. 171, 1999, p. 371 -376.
  49. А.Я., Недосека C.A., Олейник P.A. Распространение волн акустической эмиссии в пластинах от действия локального источника излучения // Техн. диагност, и неразруш. контроль, 2001, т.61−62 № 3, с. 3−10.
  50. Ю.Б., Романова E.H. Расчет координат импульсных источников акустической эмиссии // Контроль. Диагност., 2002, № 3, с. 53−55.
  51. В.Н., Данилов Г. Н., Рыбченков A.A. Синергетические особенности быстрого охлаждения твердых тел // Изв. вузов. Сер. физ., 2002, т. 45, № 4, с. 69−73.
  52. А.И., Хоменко A.B. Синергетика пластической деформации // Успехи физ. мет., 2001, т. 2, № 3, с. 189−263.
  53. Петухов Б. В. Статистическая теория движения дислокаций при наличии спонтанных процессов блокирования-деблокирования // ФТТ, 2001, т. 43, вып. 5, с. 813−817.
  54. Ю.А., Литвинов Ю. М., Фаттахов Э. А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1982. 240 с.
  55. М.А., Шабат Б. В. Методы теории функций комплексного переменного. М.- Наука, 1973, 736 с.
  56. . В.А. Акустическая эмиссия монокристаллического кремния вэлектрических и тепловых полях. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Ульяновск. 2000, 127 с.
  57. Физические величины: справочник. / под ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1988, 1232 с.
  58. А.С., Пушкарский А. С., Горбачев В. В. Теплофизические свойства полупроводников. М.: Атомиздат, 1972, 187 с.
  59. Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Наука, М. (1984) 831 с.Т.
  60. А.Ф., Уваров В. Б. Специальные функции математической физики. М.: Наука, 1978, 320 с.
  61. Morse P.M., Ingard U.K. Theoretical acoustics. New York: McGraw-Hill Book Сотр., 1968, 937 p.
  62. Марпл-мл С.JI. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990, 584 с.
  63. Дислокации и физические свойства полупроводников / Отв. ред. А.Р. Ре-гель. Л.: Наука, 1967. 94 с.
  64. А.А., Орлов A.M., Соловьев А. А. Акустоэмиссионное зондирование линейных дефектов в кремнии. // ФТТ. 2001, т. 43, вып. 4, с. 616 -618.
  65. А.А., Орлов A.M., Насибов А. С., Литвиненко О. В. Акустическая эмиссия в сульфиде кадмия при токовых и тепловых воздействиях // Письма в ЖТФ, 2000, т. 26, вып. 22, с. 36−43.
  66. Zapperi S., Vespignani A., Stanley Н.Е. Modeling acoustic emission in microfracturing phenomena // Mat. Res. Soc. Proc. 1996, vol. 409, p. 355 -359.
  67. A.M. Дислокации в теории упругости. Киев: Наук, думка, 1978, 219 с.
  68. Т., Есинага X., Такеути С. Динамика дислокаций и пластичность. М.: Мир, 1989, 296 с.
  69. . Дислокации. М.: Мир. 1967. 626 с.
  70. R., Stach Е.А., Tromp R. & others. Interactions of moving dislocations in semiconductors with point, line and planar defects. // Phys. Stat. Sol. (a) 1999.1. Vol. 171, P. 133−146.
  71. B.B. Сглаживание спектров методом минимизации энергии. // Учен. зап. Ульяновского гос. ун-та. Сер. физ. 1998, № 2 (5), с. 24−29.
  72. Rabier J., Cordier P., Tondellier Т., Dement J.L., Garem H. Dislocation microstructure in Si plastically deformed at RT // J. Phys. Condens. Matter., 2000, v. 12, № 49, p. 10 059−10 064.
  73. Физическая акустика. Т. IV. Ч. А: Применение физической акустики в квантовой физике и физике твёрдого тела / Под ред. У. Мэзона. М.: Мир, 1969, 436 с.
  74. К. Физика полупроводников. М.: Мир, 1977, 615 с.
  75. A.JI. Деформация полупроводников и полупроводниковых приборов, Энергия, Москва (1979) 167 с.
  76. Бир Г. Л., Пикус Г. Е. Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках, Наука, Москва (1972), 584 с.
  77. Физическая акустика. Т. III, Ч. Б: Динамика решетки/ Под ред. У. Мэзона. М.: Мир, 1968, 392 с.
  78. Н.С. Принципы фазовой синхронизации в измерительной технике. Томск: Радио и связь, 1989, 384 с. 1. ГОС.".1.vLV с.^ Ч — О’Ъ
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!