Структура і властивості легованого Cz-Si у вихідному стані

 

На рисунку 2.1 наведено мікроструктури як легованого, так і нелегованого Cz-Si. На рисунку 2.1, а представлена мікроструктура Cz-Si. Аналіз рисунка показує, що в мікроструктурі Cz-Si спостерігається наявність дислокаційних областей різної щільності. На рисунку 2.1, б, в представлені мікроструктури Cz-Si, легованого алюмінієм і міддю. Легування Cz-Si алюмінієм і міддю призводить до підвищення щільності дислокацій, орієнтованих по певних кристалографічних площинах. З аналізу мікроструктури, представленої на рисунку 2.1, г, д випливає, що легування Cz-Si бором, який знижує енергію взаємодії атомів кремнію, призводить до утворення двійників і смуг двійникування, які є результатом зсувних перетворень, що реалізуються в процесі вирощування монокристалів з ​​різним ступенем завершеності, і призводять, ймовірно, до утворення Si_РОМБ. Ця метастабільна модифікація утворюється в результаті незначних зміщень атомів в решітці Si_{ГЦК алмаз}. Легування Cz-Si оловом и германієм (рисунок 2.1, е, є) майже не змінюють енергію взаємодії атомів кремнію, не призводить до суттєвих змін у мікроструктурі: спостерігаються тільки ланцюжки дислокацій, орієнтовані уздовж певних кристалографічних напрямків; двійники і границі двійникування відсутні.

У мікроструктурі Cz-Si, легованого цирконієм (рисунок 2.1, ж) і гафнієм (рисунок 2.1, з), які підвищують енергію взаємодії атомів кремнію, спостерігається наявність дислокаційних областей різної щільності. Двійники і смуги двійникування відсутні. На рисунку 2.1, ї представлена ​​мікроструктура Cz-Si, комплексно легованого Mo+B. Кількість двійників і смуг двійникування, в порівнянні з мікроструктурою рисунку 2.1, г, д, різко зменшується. Наявність смуг двійникування також свідчить про реалізацію фазових і структурних перетворень при вирощуванні кремнію. Легування молібденом, який підвищуює енергію міжатомного зв'язку атомів кремнію, на відміну від бору, що понижуює останню, призводить до зменшення кількості двійників, що є наслідком домінуючого впливу молібдену в порівнянні з впливом бору. В областях кристала, що розташовуються між смугами двійникування, спостерігаються виходи одиночних дислокацій у вигляді ямок травлення. У той же час в мікроструктурі Cz-Si, комплексно легованої Sn + B (рисунок 2.1, и, і), спостерігається відсутність смуг двійникування. Однак, звертають на себе увагу області, в яких утворилися окремі зерна другої фази. Виділення другої фази призводить до покрихчення матриці і розвитку мікротріщин.

 

 

 

 

 

 

а                                        б                               в

Рисунок 2.1 - Мікроструктура Cz-Si; х500

На рисунку 2.2 (а-и) представлені графіки мікротвердості Cz-Si, легованого Al, Cu, B, Sn, Ge, Mo + B, Sn + B, Hf, Zr.

 

 

 

 

а - Cz-Si                                      б - Cz-Si-Al

 

 

 

в - Cz-Si-Cu                                         г - Cz-Si-B

Рисунок 2.2 - Мікротвердість Cz-Si

 

На рисунках 2.2, б і 2.2, в представлені графіки мікротвердості Cz-Si, легованого алюмінієм (рисунок 2.2, б) і міддю (рисунок 2.2, в). Легування Cz-Si алюмінієм практично не змінює середню мікротвердість, дещо підвищуючи середню мікротвердість матриці і знижуючи мікротвердість дислокаційних областей. Значення мікротвердості Cz-Si, легованого міддю підвищуються в порівнянні із середнім значенням мікротвердості Cz-Si і Cz-Si, легованого алюмінієм.

На рисунку 2.2, г, д представлені графіки мікротвердості Cz-Si, легованого бором і оловом відповідно. Олово має тетрагональну решітку і при взаємодії з кремнієм утворює суперпозиції твердих розчинів заміщення, які відносяться до елементів, що не чинять значного впливу на енергію взаємодії атомів кремнію.

Аналіз рисунку 2.2, е показує, що легування Cz-Si германієм не робить істотного впливу на енергію взаємодії атомів кремнію та дещо підвищує середні значення мікротвердості зразка, в порівнянні з нелегованим кремнієм.

На рисунках 2.2, є, ж показані графіки мікротвердості Cz-Si, легованого цирконієм і гафнієм відповідно. Аналіз рисунку 2.2 показує, що легування Cz-Si елементами, що підвищують енергію взаємодії його атомів, приводить до підвищення середніх значень мікротвердості, в порівнянні з нелегованим кремнієм.

На рисунку 2.2, и представлений графік мікротвердості Cz-Si, легованого B-Mo. На рисунку 2.2, з представлений графік мікротвердості Cz-Si, легованого B-Sn. Аналіз рисунку 2.2, и показує, що легування Cz-Si комплексом B-Mo підвищує середні значення мікротвердості матриці зразка. Це можна пояснити з позицій впливу легуючих елементів на енергію взаємодії атомів кремнію. Бор різко знижує енергію взаємодії атомів кремнію, в той час як молібден різко підвищує останню. Підвищення мікротвердості матриці вказує на збільшення енергії взаємодії атомів кремнію. Також можна припустити, що в комплексі B-Mo, молібден надає домінуючого впливу на енергію взаємодії атомів кремнію в порівнянні з впливом бору. Мікротвердість дислокаційної області знижується, що вказує на підвищене скупчення дефектів упаковки кремнію.

У таблиці 2.1 показана мікротвердість легованого і нелегованого Cz-Si.

Найбільшими значеннями мікротвердості характеризуються зразки Cr-Si-Hf і Cr-Si-Zr. Це можна пояснити тим, що і Hf і Zr є елементами, що підвищують енергію взаємодії атомів Si. У таблиці 2.2 наведені дані про зміну параметра решітки кремнію, легованого різними елементами. Аналіз результатів рентгеноструктурного дослідження (таблиця 2.2) свідчить, що при легуванні окремими компонентами, параметри решітки кремнію змінюються незначно. Але при комплексному легуванні Sn-B і Мо-B спостерігається значне зменшення параметрів гратки кремнію: параметри решітки кремнію, легованої Sn-B, складає 5,41997 Å, а Мо-B - 5,42936 Å, а параметр решітки еталонного зразка кремнію складає 5,43399 Å (зміни параметра спостерігаються вже в другому знаку після коми). Настільки значне зменшення параметра гратки легованого кремнію може свідчити про присутність фаз кремнію, котрі мають більш щільноупаковані гратки, ніж Si_{ГЦК алмаз}.

 

Таблиця 2.1 - Мікротвердість Cz-Si

Cz-Si+ легуючі елементи	Нm, МПа
	матриця	дислокаційні області	надлишкова фаза
Cz-Si	6100-7200	4600-6600	-
Cz-Si-Al	5000-7800	4000-6500	-
Cz-Si-Cu	5000-9300	-	-
Cz-Si-B	6500-7800	5700-7000	-
Cz-Si-Sn	6700	4500-6500	-
Cz-Si-G	7150	5600-6500	-
Cz-Si-Mo+B	8650	5100-7000	5150-6700
Cz-Si-Sn+B	7000-9200	-	-
Cz-Si-Hf	6000-9500	7200-7600	-
Cz-Si-Zr	6000-8500	6500-8500	-

 

Таблиця 2.2 - Дані рентгеноструктурного аналізу зразків легованого напівпровідникового монокристалічного кремнію

Зразок	Положення максимуму	Зміщення,  q, град	2q, град	qСР, град	HKL	d, Å	a, Å
Cz-Si еталон	34,3	0,7146	136,7146	68,3573	533	0,828676	5,43399
Cz-Si+B	33,3	0,6938	136,6938	68,3469	533	0,828735	5,43438
Cz-Si+Sn	34,6 35,2	0,72086 0,73333	136,7209 136,7333	68,3608 68,3866	533 533	0,828638	5,43374
Cz-Si+Ge	34,6	-	136,7161	68,3579	533	0,828672	5,43396
Cz-Si+Zr	21.2	-	136,7604	68.3802	533	0.828543	5.43312
Cz-Si+Hf	22.15	-	136,7586	68.3904	533	0.828545	5.43317
Cz-Si+Sn+B	19,2 19,5 66,3	0,4031 1,38125	137,3922	68,6991	533	0,826229	5,41991
Cz-Si+Mo+B	30,85	0,7635	136,9614	68,4807	533	0,827969	5,42936