Анотація до роботи:

Стебленко Л.П. Мікропластичні властивості приповерхневих шарів

кристалів кремнію. – Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, Київ, 2004.

Дисертацію присвячено дослідженням зміни мікропластичних властивостей приповерхневих шарів кристалів кремнію при дії різноманітних зовнішніх чинників (високотемпературної термообробки, металізації, збудженні електронної підсистеми). Розроблена нова модель, яка описує процес руху в приповерхневих шарах кремнію коротких (L 100 мкм) дислокацій та залежність цього процесу від структури сформованих в околі дислокацій домішкових атмосфер Котрела.

Вперше експериментально виявлено ряд нових ефектів, об’єднаних назвою електропластичний ефект (ЕПЕ), що виникає у кристалах кремнію при їх деформуванні з одночасним збудженням електронної підсистеми (як спосіб збудження використовувався електричний струм та електростатичне поле). Відкрито магнітопластичний ефект (МПЕ), який полягає в зміні мікропластичних властивостей приповерхневих шарів кристалів кремнію під дією постійного магнітного поля. Експериментально підтверджена і розвинута концепція лазерного та ультразвукового керування процесами рухливості дислокацій в приповерхневих шарах кристалів кремнію. Відкрито і досліджено ефект “пам’яті” дислокаціями впливу електричного струму та фізичних полів (електричного, магнітного, пружно-електричного поля ультразвуку, електромагнітного поля лазерного випромінювання). Встановлено, що пластичне деформування та електронне збудження здійснюють корельований вплив на фізичні параметри кристалів кремнію – мікропластичні, механічні, дифузійні, електрофізичні. Виявлена кореляція створює умови для розробки нових методів керування фізичними параметрами кремнію, і, в підсумку, створює передумови для отримання конструкційних матеріалів з покращеними фізичними властивостями.

1. Розроблена нова фізична модель, що описує вплив домішкових атмосфер на параметри рухливості коротких дислокацій, якими визначаються мікропластичні властивості приповерхневих шарів кремнію. Запропонована модель відрізняється від існуючих моделей тим, що, по-перше, враховує мікрорух коротких дислокацій в домішкових атмосферах, а, по-друге, передбачає корельований характер руху, згідно якому, стан атмосфери, яка закріплює дислокації в стартовій позиції, визначає динаміку дислокацій після виходу з атмосфери.

2. Встановлено, що високотемпературна термообробка та металізація зразків кремнію змінює мікроскопічні параметри дислокаційно-домішкової взаємодії. Отримані кількісні характеристики рухливості коротких приповерхневих дислокацій в вихідних, термооброблених, металізованих зразках з урахуванням різного роду бар’єрів: кристалічних бар’єрів Пайєрлса, локальних бар’єрів у вигляді закріплюючих дислокацію центрів та міграційних бар’єрів комплексу “дислокація-домішка”. Показано, що наявність високих бар’єрів міграції комплексу “дислокація-домішка” є основним критерієм, за яким дислокацію слід визначати як коротку.

3. Розраховані стартові характеристики та активаційні параметри руху коротких дислокацій показують, що мікроскопічні параметри, які описують рух дислокацій в домішковій атмосфері та рух дислокацій за межами атмосфери, корелюють між собою. Це доводить спільність (універсальність) фізичних механізмів, які контролюють рух дислокацій в домішковій атмосфері та за її межами.

4. Вперше при пропусканні електричного струму крізь кристали кремнію в процесі їх деформування спостерігався пороговий електропластичний ефект (ЕПЕ), величина і знак якого визначається специфікою умов деформування. В низькотемпературній області деформування Т < Т_кр. (Т_кр. = 973 К) в збуджених зразках кремнію, в порівнянні з вихідними (незбудженими) зразками, часи затримки коротких дислокацій в стартових позиціях зменшуються, а швидкості їх руху в приповерхневих шарах зростають (негативний ЕПЕ). В області високих температур деформування (Т > Т_кр.) пропускання струму спричиняє зростання величини стартових характеристик та зменшення швидкості приповерхневих дислокацій (позитивний ЕПЕ). Показано, що явище ЕПЕ та ефект температурного гасіння ЕПЕ фізично пов’язане з протіканням процесів рекомбінації і залежністю електричної активності дислокацій від температури.

5. Виявлено, що характер впливу електричного струму на динамічну поведінку коротких дислокацій залежить від стану оточуючих їх домішкових атмосфер, обумовлених передісторією зразків кремнію. Так, вплив постійного електричного струму на термооброблені зразки (Т_ВТО = 1423 К, t = 3 год.) призводить до того, що дислокації в таких зразках втрачають здатність до руху за межами домішкових атмосфер, що унеможливлює експериментальне виявлення вказаного руху. Зміна складу домішкових атмосфер в околі дислокацій за рахунок введення електричноактивних термодефектів – термодонорних центрів типу ТД-І (класичних термодонорів) в зразки кремнію, а також за рахунок лазерної та ультразвукової обробок кристалів Si посилює ~ в 3 рази ЕПЕ. Альтернативні по характеру впливу домішкові атмосфери, утворені при попередній магнітній обробці зразків Si та при введенні термодонорних центрів типу ТД-ІІ (нових термодонорів) в кремній приводить до зменшення ЕПЕ. Фізично відмінність або ідентичність електропластичних ефектів, які виникають у збуджених струмом кристалах кремнію після певних обробок, може бути обумовлена відмінністю або ідентичністю зарядових станів дислокацій і пов’язаною з зарядовими станами дислокацій ефективністю каналів безвипромінювальної рекомбінації.

6. Вперше експериментально виявлено, що збудження кристалів кремнію електричним струмом приводить до зниження (на ~200^о С) температурного порогу мікропластичності.

7. Вперше експериментально встановлено, що в кристалах кремнію, що містять дислокації, при збудженні імпульсним струмом, з’являється ефект “електричної пам’яті” дії струму (залишковий електропластичний ефект (ЗЕПЕ). Вивчення ЗЕПЕ дозволяє зробити висновок, що причиною існування ЗЕПЕ може бути релаксація викликаних електронним збудженням нерівноважних зарядових станів структурних дефектів, в тому числі, і дислокацій. Встановлено, що величина ЗЕПЕ визначається параметрами електронного збудження (густиною струму, тривалістю імпульсу), а його характер залежить від того, в якому стані знаходяться дислокації, що піддаються збудженню, - в стані руху, чи в стані спокою.

8. Показана можливість управління процесами рухливості приповерхневих дислокацій в кристалах кремнію за допомогою фізичних полів. При цьому, по відношенню до вихідних зразків кремнію, дія електростатичного поля та пружноелектричного поля ультразвуку приводить до зменшення часів затримки початку руху коротких дислокацій та збільшення швидкості дислокацій, а в результаті впливу постійного магнітного поля та електромагнітного поля лазерного випромінювання часи затримки зростають, а швидкості дислокацій зменшуються. Виявлені в результаті впливу фізичних полів ефекти можна пояснити зміною зарядового стану дислокацій та їх домішкових атмосфер, а також зміною структурного стану приповерхневих шарів кристалів кремнію.

9. Встановлено, що дислокації, введені в кристали кремнію до початку “обробки” фізичними полями, запам’ятовують факт польового впливу і при послідуючому механічному навантаженні рухаються з швидкостями, відмінними від швидкостей, типових для вихідних зразків. При цьому “дислокаційна пам’ять” дії електричного поля, електромагнітного поля лазерного випромінювання та акустичного поля ультразвуку, пов’язана з перезарядкою центрів закріплення дислокації, зберігається протягом тривалого часу при кімнатній температурі у відсутності поля і не знищується без спеціальних додаткових обробок. В той же час “дислокаційна пам’ять” дії магнітного поля, яка може бути пов’язана з процесами спін-решіточної релаксації та з релаксацією метастабільного терма зв’язку міжвузольного кисню Si–О, має короткотривалий характер.

10. Виявлено, що електронне збудження кристалів кремнію з дислокаціями приводить до зміни їх мікротвердості і до появи електромеханічного ефекту, який має приповерхневий характер.

11. Електронне збудження кристалів кремнію з дислокаціями індукує низькотемпературну рекомбінаційно-стимульовану дифузію домішок, посилює гетеруючу роль поверхні, площин ковзання і дислокацій.

12. Зміна електричної активності дислокацій та площин ковзання, пов’язана зі зміною стану домішкової атмосфери навколо дислокацій, проявляється в зміні електрофізичних властивостей кремнію, в тому числі, в зміні характеристик процесів релаксації фотопровідності, які протікають в його приповерхневих шарах.

13. Вперше встановлено, що пластичне деформування та різні види обробок (обробка ультразвуком, електричним струмом та електростатичним полем та інші обробки) здійснюють корельований вплив на мікропластичні параметри приповерхневих шарів кристалів кремнію та їх механічні, дифузійні та електрофізичні параметри.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Новиков Н.Н., Горидько Н.Я Стебленко Л.П., Фастовец П.Н. Влияние твердофазных металлических покрытий на стартовые напряжения движения дислокаций в кристаллах кремния // УФЖ. – 1989. – т.34, № 1. – С.85-87.

2. Макара В.А., Новиков Н.Н., Горидько Н.Я., Стебленко Л.П. Влияние термообработки и металлизации поверхности на процесс открепления дислокаций от примесных центров в кристаллах кремния // ФТТ. – 1989. – т.31, № 5. – С.31-34.

3. Новиков Н.Н., Стебленко Л.П., Горидько Н.Я., Теселько П.А. Характеристики подвижности коротких 60^о-ных дислокаций в кристаллах кремния с твердофазными покрытиями // УФЖ. – 1990. – т.35, № 5. – С.772-776.

4. Макара В.А., Стебленко Л.П., Робур Е.Г., Цареградская Т.Л. Влияние электрического поля на подвижность дислокаций в монокристаллах кремния // Доклады АН Украины. – 1993. - № 12. – С.75-78.

5. Макара В.А., Стебленко Л.П., Обуховский В.В., Лемешко В.В., Робур Е.Г. Влияние єлектрического тока на скорость движения дислокацій в кристаллах кремния // ФТТ. – 1994. – т.36, № 9. – С.2618-2621.

6. Макара В.А., Стебленко Л.П., Горидько Н.Я., Робур Е.Г., Воронцова Л.А., Литвинова Е.М., Хижняк В.И. Влияние постоянного электрического тока на подвижность дислокаций в кристаллах кремния // Доповіді АН України. – 1994. - № 3, С.78-80.

7. Макара В.А., Стебленко Л.П., Робур Е.Г., Волкова Т.В. Вплив температури та термообробки на зміну рухливості дислокацій в кристалах кремнію при збудженні електронної підсистеми // Доповіді АН України. – 1996. - № 12, С.96-101.

8. Макара В.А., Стебленко Л.П., Горидько М.Я., Робур Е.Г., Волкова Т.В. Рухливість дислокацій в кристалах кремнію під дією електричного струму різних густин // УФЖ. – 1997. –№ 3. – С.328-331.

9. Макара В.А., Стебленко Л.П., Коломієць А.М. Теоретичні дослідження впливу металізації на динаміку дислокацій в кристалах кремнію // Вісник Київського університету, серія: Фізико-математичні науки. – 1997. – вип.1. – С.324-330.

10. Макара В.А., Стебленко Л.П., Овечко В.С., Пасічний В.С., Дмитрук А.М. Вплив лазерного опромінення на рухливість дислокацій в кристалах кремнію // Вісник Київського університету, серія: Фізико-математичні науки. – 1997. – вип.3. – С.392-396.

11. Макара В.А., Стебленко Л.П., Горидько Н.Я., Кравченко В.М., Коломієць А.М. Вплив магнітного поля на рухливість дислокацій в кристалах кремнію // Вісник Київського університету, серія: Фізико-математичні науки. – 1999. – вип.4. – С.316-322.

12. Островский И.В., Стебленко Л.П., Надточий А.Б. Образование поверхностного упрочненного слоя в бездислокационном кремнии при ультразвуковой обработке // Физика и техника полупроводников. – 2000. –т.34, вып.3. – С.257-260.

13. Островский И.В., Стебленко Л.П., Надточий А.Б. Влияние ультразвуковой обработки на подвижность коротких дислокаций в кристаллах кремния // ФТТ. – 2000. – т.42, № 3. – С.478-481.

14. Макара В.А., Стебленко Л.П., Обуховский В.В., Горидько Н.Я., Лемешко В.В. Влияние электрического тока на стартовые характеристики и активационные параметры коротких дислокаций в кристаллах кремния // ФТТ. – 2000. – т.42, № 5. – С.854-858.

15. Макара В.А., Стебленко Л.П., Кравченко В.Н., Верховая Л.Н. Лазерное управление процессами подвижности дислокаций в кристаллах кремния // Металлофизика и новейшие технологии. – 2000. – № 10. – С.56-62.

16. Макара В.А., Стебленко Л.П., Горидько М.Я., Коломієць А.М. Роль постійного електричного струму у формуванні електричної пам’яті кристалів кремнію // Вісник Київського університету, серія: Фізика. – 2000. – випуск 2. – С.40-46.

17. Макара В.А., Стебленко Л.П., Горидько Н.Я., Кравченко В.Н., Коломиец А.Н. О влиянии постоянного магнитного поля на электропластический эффект в кристаллах кремния // ФТТ. – 2001. – т.43, № 3. – С.462-465.

18. Макара В.А., Стебленко Л.П., Горидько М.Я., Кравченко В.М. Вплив термодонорів на процеси руху дислокацій в кристалах кремнію // УФЖ. – 2001. – т.46, № 9. – С.963-969.

19. Макара В.А., Стебленко Л.П., Науменко С.М., Котікова Т.Д. Електромеханічний ефект в збуджених електричним струмом та електричним полем кристалах кремнію // Вісник Київського університету, серія: Фізико-математичні науки. – 2001. – випуск 2. – С.448-461.

20. Макара В.А., Стебленко Л.П., Горидько М.Я., Кравченко В.М., Котікова Т.Д. Вплив термодонорів на стартові характеристики рухливості дислокацій у кристалах кремнію // Вісник Київського університету, серія: Фізико-математичні науки. – 2001. – випуск 4. – С.34-41.

21. Островский И.В., Стебленко Л.П., Надточий А.Б. Влияние пластической деформации, ультразвука и єлектрического тока на релаксацию фотопроводимости в кристаллах кремния // Металлофизика и новейшие технологии. – 2002. – № 9. – С.1231-1242.

22. Макара В.А., Стебленко Л.П., Науменко С.Н., Руденко О.В., Кольченко Ю.Л., Кравченко В.М. Влияние внешних факторов на релаксацию микротвердости в кристаллах кремния // Металлофизика и новейшие технологии. – 2003. – т.25, № 8. – С.1079-1086.

23. Стебленко Л.П. Процеси міграції комплексу “дислокація-домішка” в кристалах кремнію // Вісник Київського університету, серія: Фізико-математичні науки. – 2003. – випуск 2. – С.412-418.

23а. Макара В.А., Стебленко Л.П., Руденко О.В., Коломієць А.М., Кольченко Ю.Л. Взаємозв’язок між домішковим станом кристалів кремнію та динамічною поведінкою коротких дислокацій // Вісник Київського університету, серія: Фізико-математичні науки. – 2003. – випуск 2. – С.358-364.