Легирование кремния для повышения его термостабильности редкоземельными элементами (Gd, Eu, Dy) и переходными металлами (Nb). тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

электронной техники ( Технический университет )

Михайлова Мария Сергеевна

«Легирование кремния для повышения его термостабильности редкоземельными элементами (Сс!, Ей, Бу) и переходными металлами (N1»).

Автореферат

диссертации па соискание ученой степени кандидата химических наук

Специальность 02.00.04. -Физическая химия.

На правах рукописи

экз. №

Москва - 1998 г.

Работа выполнена на кафедре физической химии Московского Государственного института электронной техники.

руководитель: Заслуженный деятель науки Российской Федерации, профессор, доктор химических наук Глазов Василий Михайлович.

Официальные оппоненты:

1. Профессор, доктор химических наук Д.П. Шашков.

2. Профессор, кандидат химических наук В.К. Прокофьева.

Ведущая организация: Институт металлургии им. Байкова Российской Академии Наук '

Защита состоится «__>>__ 1998г.

в_ч._мин. на заседании диссертационного совета

Д 053.02.03. в Московском институте электронной техники.

Адрес института: 103498. г. Москва, К- 498, Зеленоград, МИЭТ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.

Автореферат разослан «_»_1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор, доктор физико-математических наук.

Б. Г. Будагян

Общая характеристика работы.

В настоящее время кремний, как известно, является базовым материалом ектронной техники, широко применяющимся для изготовления приборов зличного технического назначения. В связи с этим возникает повышенный [терес к изучению его электрофизических свойств в твердом состоянии в фоком интервале температур, к способам управления этими свойствами для ¡лучения термостабильного материала с определенной степенью руктурного совершенства и заданными свойствами.

В условиях атмосферного давления при комнатной температуре, кремний -валентное вещество с ярко выраженными полупроводниковыми свойствами, полупроводниках с алмазоподобной решеткой связи между атомами ределяются тетраэдрической симметрией и имеют Бр^-гибридную

1нфигурацию. Все четыре связи эквивалентны и равнонасыщены. Однако, ^обладание того или иного типа химической связи не определяет тнадлежность вещества к классу металлов, полупроводников или [электриков, так как одно и то же вещество в зависимости от значения раметров (Р. Т) может находиться в любом из трех указанных состояний, тедовательно, явления и закономерности, установленные для одной группы ществ, характерны и для всех остальных.

Изучение температурной ¡ивпсимости некоторых свойств >лупроводиикового кремния, в частности, коэффициента термического сширения. твердости, параметра решетки, электрических свойств позволяет юлюдать немонотонности в изменении указанных свойств и характеристик.

При выборе исследовании структурных превращений в полупроводниках лодя! из того, что коэффициент термического расширения, модуль футсти. твердость, число неравновесных носителей заряда являются |рактеристнками сил сцепления кристалла и типа химической связи. При новых превращениях в результате перехода вещества из одного

кристаллического состояния в другое скачкообразно изменяются все е свойства: тепловые, объемные, механические, электрические. Исследован: зависимостей свойство - температура, свойство - давление по нарушени монотонности соответствующей зависимости позволяет выявлять фазов! переходы.

До недавнего времени постановка вопроса о возможности структурнь превращений в монокристаллах кремния представлялась противоестественно Однако, после проведения исследований с привлечением таких методов к; электронная микроскопия, высокотемпературная рентгенография и т. п., мояа сказать, что сомнения в какой-то степени рассеялись и теперь мож! приступить к обсуждению этой проблемы.

Уже давно известен тот факт, что нагревание монокристаллов кремни необходимое для получения высоковольтных (р-п)-переходов, приводит деградации его электрофизических свойств.

До недавнего времени это явление связывалось с влиянием кислорода образованием различного рода точечных дефектов и связанных с ни термодоноров. И в соответствии с этими представлениями разрабатывали! режимы термической обработки монокристаллов кремния.

В конечном итоге возникла проблема термостабильности кремния других полупроводников. В последний период времени, когда стш складываться представления о возможности протекания структурнь превращений в кристаллах кремния к проблеме термостабильности кремш стали подходить с учетом этих явлений.

После проведения исследований температурных зависимостей ря; физико-химических свойств монокристаллов кремния: коэффициен-термического расширения, плотности, микротвердости, а тао высокотемпературной рентгенографии были обнаружены четы] температурные области, в окрестностях которых происходит нарушен!

онотонности измеряемых свойств: 530 - 670, 915 - 1030, 1200 - 1300, 1355-И0 К. Наблюдавшиеся в этих интервалах температур неустойчивости 1ектрофизических свойств связаны со структурными превращениями в эемнии, о чем свидетельствует скачкообразное изменение подвижности и шцентрации носителей заряда.

Целью настоящей работы явилось изучение легирования кремния :реходными металлами и редкоземельными элементами для повышения его ;рмостабильности.

Кремний является базовым материалом электронной техники эименяющимся для изготовления приборов различных технических значений. Так как нагревание кремния в соответствии с проведением одного 5 основных этапов технологии, связанного с термодиффузионным элучением высоковольтных (р-п) - переходов приводит к деградации 1ектрофизических свойств, то важно научиться управлять этими свойствами 1Я получения термостабильного материала с определенной степенью груктурного совершенства и с заданными свойствами.

Научная новизна диссертации состоит в следующем.

. В настоящей работе впервые были получены результаты по исследованию ¡мпературной зависимости теплоемкости при медленном нагреве (до 4 /мин.) монокристаллического кремния методом дифференциальной санирующей калориметрии. При медленном нагреве со скоростью 4 К / мин ыла зарегистрирована аномалия температурной зависимости теплоемкости, охожая на X - кривую, которая характерна для фазового перехода II рода, ричем при скоростном проведении эксперимента была зарегистрирована онотонная зависимость Ср (Т), которая совпадает со справочными данными.

К вопросу о термической стабильности кремния с точки зрения лзникновения аномалии на температурной зависимости теплоемкости раньше и кто не подходил.

Также с помощью системы неполяризованных ионных радиусов произведенным расчетам был сделан вывод, что обладая наиболее высокик значениями энергии связи, парные взаимодействия в двойных систем! кремния с переходными металлами: вольфрамом, ниобием, танталом другими, а также с редкоземельными элементами, способствуют повышени термостабильности кремния за счет увеличения прочности межатомных связ( в кристаллической решетке твердого раствора. С помощью температурнс зависимости теплоемкости кремния были получены подтверждения < увеличении прочности межатомных связей и об укреплении решетки кремш при растворении в нем ниобия, диспрозия, гадолиния и европия. При че] теплоемкость кремния, легированного указанными элементами несколы выше, чем у чистого, что является дополнительным аргументом в ноль' соображения о повышенной прочности межатомных связей в легирование материале.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

С помощью системы неполяризованных ионных радиусов и расчетс энергии связи при растворении простых веществ в кремнии было показан что при увеличении расстояния между взаимодействующими частицам энергия связи экспоненциально снижается. Парные взаимодействия в двойнь системах кремния с переходными металлами и редкоземельными элемента!^ обладают наиболее высокими значениями энергии связи. Поэтом)' переходнь металлы: вольфрам, ниобий, тантал и другие при их растворении в кремш способствуют повышению его термостабильности за счет увеличен! прочности межатомных связей в кристаллической решетке твердого раствора.

Причем нами был непросто спрогнозирован результат повышен! термостабильности кремния, но и доказан на основании исчезновеш аномалии па кривых температурной зависимости теплоемкости кремни легированного ниобием, диспрозием, гадолинием и европием. Нами такя

ыло проведено исследование термического расширения чистых и егированных кристаллов кремния и на основании полученных данных роведены расчеты характеристик прочности межатомных связей. Было оказано, что коэффициент термического расширения у кремния, егированного ниобием, оказывается ниже во всем исследованном интервале т комнатной температуры до 600 К , чем у нелегированного. И , как следствие, того снижение вероятности образования очагов высокого давления, риводящих к протеканию структурных превращений, Поэтому можно сделать ывод, что легирование кремния переходными металлами , в частности, иобием, приводит ь; укреплению решетки кремния и за счет этого повышает го термостабильность.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались в 1994 оду на международной конференции «Материаловедение алмазоподобных и алькогенидных полупроводников» в г. Черновцы, доклад «Исследование ермостабильности кремния, легированного редкоземельными элементами». В 995 году на международной конференции в МИЭТ «Электроника и шформатика» с докладом «Исследование теплоемкости кремния в интервале смператур от комнатной до 773 К». В 1997 году на V международной онференцнп г. Москва <■ Термодинамика и материаловедение юл> проводников». Доклад -..Аномальное изменение теплоемкости при тгрепании монокристаллов кремния п связи с npoiеканием структурных феврашений».

По материалам диссертации в печатных изданиях опубликовано девять начатых трудов.

1'аГюта выполнена на кафедре физической химии Московского осударпвенного института электронной техники (Технического • нинерси icia).

На защиту выносятся следующие положения:

1. При медленном нагреве образца монокристаллического кремния с скоростью не более 4 К/мин регистрируется аномалия температурно зависимости теплоемкости. Наблюдаемая картина напоминает X - кривун которая характерна для фазовых переходов второго рода. В то время, как пр более скоростном проведении эксперимента регистрируется монотонна зависимость Ср(Т), которая практически сливается со справочными данными.

2. Выдвинута гипотеза о том, что основной причиной приводящей деградации электрофизических свойств кремния при нагревании его соответствии с проведением одного из основных этапов технологи! связанного с термодиффузионным получением высоковольтных (р-п) переходов, являются структурные превращения в монокристаллах кремни) наблюдаемые в интервале 530 -700 К, то есть в интервале первого нарушен« монотонности свойств монокристаллов.

3. На основании расчетов энергии связи доказано, что с увеличение] расстояния между взаимодсйо1в\ющими частицами, при растворени различных простых веществ в кремнии, энергии связи экспоненциальн снижается. Наиболее высокими значениями энергии связи отличаются парны взаимодействия в двойных системах кремния с переходными металлам! вольфрамом, ниобием, танталом и другими, а также с редкоземельным элементами.

4. Переходные элементы, а также редкоземельные металлы при и растворении в кремнии способствуют повышению его термостабильности з счет увеличения прочности межатомных связей в кристаллической решетк твердого раствора.

5. Теплоемкость кремния, легированного переходными элементами редкоземельными металлами выше чем у чистого кремния. Это говорит о ton

"о прочность межатомных связей в материале легированном перечисленными 1ементами выше.

6. Коэффициент термического расширения у кремния, легированного гобием ниже во всем исследованном интервале от комнатной до 600К, чем у ^легированного. Дебаевские температуры легированного ниобием кремния 1метно выше чем у нелегированного, что свидетельствует об увеличении рочности межатомных связей при легировании кремния ниобием. И, как тедствие, значения среднеквадратичных динамических смещений атомов из оложения равновесия в кристаллической решетке у легированного ниобием ремния ниже, чем у нелегированного.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из : введения, 3-х глав, заключения и библиографии. )на содержит 123 страницы машинописного текста 11 таблиц и 31 рисунок.

Список цитируемой литературы включает 72 наименования отечественных [ зарубежных авторов.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, пложены цель и задачи, научная новизна и практическая значимость работы, а акже представлены основные положения, которые выносятся на защиту.

Первая глава содержит обзор современных представлений о структурных тревращениях в монокристаллах кремния.

Представлены результаты исследований температурной зависимости физико-химических свойств ( коэффициент линейного расширения, твердость, относительное удлинение и др. ) монокристаллов кремния, а также исследования электрофизических свойств ( электропроводность, коэффициент Холла ) монокристаллов кремния в широком температурном интервале.

Представлен статистико-термодинамический расчет температуры первого структурного превращения в кремнни при нагреве.

Во второй главе рассмотрена физико-химическая природа структурны: превращений в кремнии.

Были проведены исследования температурной зависимости теплоемкост] монокристаллов кремния. Для исследований использовал] монокристаллический кремний, полученный по методу Чохральского марк: КДБ-0,003 с содержанием кислорода 5,5 10"ат./см3. Исследовани: проводились на микрокалориметре ДСМ-2М. Погрешность измерени! составляла +5%. Измерения проводились в интервале 350-770 К. Скорост! сканирования составляли 4 и 16 К/мин.

При медленном нагреве со скоростью 4 К/мин обнаруживается аномали: на температурной зависимости теплоёмкости (см. рис.1). Наблюдаемая картин! напоминает ^.-кривую, которая характерна для фазовых переходов второй рода. При более скоростном проведении эксперимента регистрируете: монотонная зависимость Ср (Т) которая практически сливается с данными рекомендуемыми в справочнике «Термодинамические свойств; полупроводниковых веществ» под редакцией Глушко В.П. (рис.1) Определённая на основе полученных результатов температура структурной превращения хорошо коррелирует с результатами исследований други; физико-химических свойств, а также с теоретическими расчётами на основ« статистической теории растворов и метода псевдопотенциала. Отмечено, чт( причиной, приводящей к деградации электрофизических свойств кремния пр! нагреве, являются структурные превращения связанные с частичныл превращением алмазоподобного кремния в кремний со структурой белоп олова. Причиной этих превращений, наблюдаемых при высоких давлениях является возникновение многочисленных очагов концентрации напряжений вследствие анизотропии теплого расширения различно ориентированны) микрообъёмов кристалла. В этих очагах возможно достижение высоки) давлений, необходимых для указанного фазового перехода

01п0*00ю000 ТГ Г) ГО С\1 СМ т- т-

Рис. 1. Температурная зависимость теплоемкости чистого кремния: 1-скорость нагрева 4 К/мин.(наши данные); 2-скорость нагрева 16 К/мин.(наши данные); 3-справочные данные

Для уменьшения эффекта деградации электрофизических свойс применяется термическая обработка материала, однако, она не снимает е полностью. Поэтому целесообразны попытки разрешения этой проблемы пук легирования кремния специально подобранными легирующими добавкам Для обоснования выбора легирующих добавок, мы воспользовали принципами металлохимии комплексного легирования, в основе которь лежит система неполяризованных ионных радиусов. Опираясь на э' принципы, мы произвели расчеты энергии связи при растворении различнь простых веществ в кремнии (рис.2). Из расчетов видно, что с увеличенш расстояния между взаимодействующими частицами энергия связи практичес) экспоненциально снижается. Кроме того энергия связи существенно зависит I физико-химической природы взаимодействующих веществ. Наибол высокими значениями энергии связи при межатомных расстояния отвечающих структуре кремния, отличаются парные взаимодействия двойных системах кремния с переходными металлами: вольфрамом, ниобие танталом, хромом, а также с редкоземельными элементами (см. рис.3).

Следует отметить, что полученные значения энергии связи соответствуй справочным данным, что указывает на надежность сделанного прогноза.

В третьей главе представлены экспериментальные исследоваш изменений характеристик прочности межатомных связей при легироваш монокристаллов кремния.

Было проведено исследование температурной зависимости теплоемкое! монокристаллов чистого, а также легированного ниобием, диспрозии гадолинием и европием кремния методом дифференциальной сканируюгщ калориметрии. Для измерений теплоемкости были использован монокристаллы кремния, полученные методом Чохральского марки КДБ-0.0( с содержанием кислорода 5.5 х 1017 ат/см3, а также легированные указаннык элементами монокристаллы с содержанием легирующих элементов — 1017

Рис. 2. Зависимость энергии спя ¡и Д от межатомного расстояния ё между взаимодействующими частицам» в двойных системах кремния с элементами таблицы Д.И. Менделеева

Рис.3. Взаимосвязь между энергией связи и зарядопо стыо для межатомного расстояния, соответствующего криста решетке

018ат/см3. Исследование проводилось на микрокалориметре ДСМ-2М. ждая точка на кривой Ср (Т) получена нами в результате усреднения гырех-пяти измерений. Погрешность измерений была не хуже ± (4+5%). мерения проводились в интервале 400+750 К. Скорость сканирования не евышала 4 К/мин. При этой скорости сканирования на образцах чистого, не тированного кремния на кривой температурной зависимости теплоемкости гистрируется аномалия (рйс.1), наблюдавшаяся нами ранее и наличие торой интерпретировалось нами, как эффект протекания структурных ^вращений в связи с выделением фазы высокого давления - кремния II со руктурой белого олова в очагах высокого давления. Наблюдаемая картина [поминает X - кривую, которая характерна для фазовых переходов второго >да. Учитывая принципиальную значимость полученных результатов нами лли также проведены исследования образцов нелегированного кремния на 1фференниальном сканирующем калориметре фирмы "Меи1ег " в режиме писи кривых нагревания ДТА при скорости нагрева ~ 3 К/мин. Эти -•следования проводились в лаборатории кафедры минералогии ологического факультета МГУ. На всех полученных кривых был фиксирован эндотермический эффект в интервале температур 580-690 К, что ютветствует первому интервалу нарушения монотонности изменения физико-шических свойств и подтверждает наличие структурных превращений при нреве монокристаллов кремния. При более скоростном сканировании юрядка 15-20 К/мин) регистрируется монотонная зависимость Ср ~ { ( Т ), эторая практически сливается с данными приведенными в справочнике Термодинамические свойства полупроводниковых веществ» под редакцией лушко В.П. Температурная зависимость теплоемкости монокристаллов ремния, легированного ниобием и диспрозием, в исследованном интервале гмператур также не обнаруживает аномалии, наблюдаемой у чистого кремния сохраняет монотонный характер. Температурная зависимость теплоемкости

легированного кремния, полученная в настоящей работе подтверждает выводь: наших работ об увеличении прочности межатомных связей и об укреплении решетки кремния при растворении в нем ниобия и диспрозия. Отметим, чтс теплоемкость кремния, легированного указанными элементами несколькс выше, чем у чистого, что является дополнительным аргументом в пользу соображения о повышении прочности межатомных связей в легированном материале, в результате чего решетка в целом должна укрепляться.

Одним из следствий этого процесса должно быть уменьшение коэффициента термического расширения, и следовательно, снижение вероятности образования очагов высокого давления, приводящих к протеканию структурных превращений. Одним из легирующих элементов, действующих на кремний в указанном направлении, может быть ниобий. В этой связи были проведены исследования термического расширения чистого кремния и кремния, легированного ниобием, с последующими расчетами характеристик прочности межатомных связей ( характеристических температур Дебая и среднеквадратичных динамических смещений атомов из положения равновесия в кристаллической решетке). Для решения поставленной задачи исследовались образцы нелегированного бескислородного кремния, полученные методом бестигельной зонной плавки и монокристаллические образцы легированного ниобием кремния, полученные методом Чохральского. Концентрация ниобия в этих образцах достигала 1018 см"3.

Исследование термического расширения производились на дилатометр ТА-943 фирмы "Дюпон". Результат для нелегированного кремния пр комнатной температуре был сопоставлен со справочными данными, с которым он согласуется в пределах величины погрешности определения коэффициент термического расширения. Нетрудно видеть (рис.4), что коэффипиен термического расширения легированного ниобием кремния ни все1 исследованном интервале температур от комнатной и до 600 К оказываете

Рис. Ч. Температурная зависимость коэффициента термического расширения чистого и легированного ниобием кремния.

ниже, чем нелегированного. Это обстоятельство дает основание заключить ,чт легированный ниобием кремний должен быть более термостабилен. В польз этого соображения свидетельствуют приведенные выше результат: исследования температурной зависимости теплоемкости легированног ниобием кремния, на которой отсутствует аномалия, наблюдавшаяся нелегированного материала.

На основании данных по термическому расширению нами были произведены расчеты характеристических температур Дебая с помощью формулы H.H. Сироты.

Следует отметить, что расчет характеристических температур Дебая этим методом был неоднократно апробирован на полупроводниках и металлах и во всех случаях дал надежные результаты достаточно хорошо согласующиеся с данными других экспериментальных исследований. И в данном случае температура Дебая, полученная для нелегированного кремния по формуле H.H. Сироты при комнатной температуре хорошо согласуется с результатами рентгенографического исследования. Видно (см. рис.5), что во всем исследованном диапазоне температур дебаевские температуры легированного ниобием кремния оказываются заметно выше, чем у нелегированного, чтс свидетельствуют в пользу вывода об увеличении прочности межатомных связей при легировании кремния ниобием. По полученным расчетам температур Дебая с помощью точного соотношения Дебая-Веллера были произведены расчеты температурной зависимости среднеквадратичны* смещений атомов из положения равновесия в кристаллической решетке чистого и легированного ниобием кремния. Показано, что у легпрованногс

ниобием кремния значения -Ju],7оказываются ниже, чем \ нелегированногс (рис.6), что подтверждает укрепление решетки кремния при легировании си ниобием.

1040 t

1020

1000 --

980 - -

%0

940 - ■

920 --

900 - -

880 --

800 - -

840 • -

200

323

373

Si.чист. Si<Nb>

vo

TJ(

523

598

723

800

■7. ел

I (

|-1-1-1-1-1-(-с

-Г п — СС С: -Т ^

Рис. 6 . Температурная «анпснмосп. значеннм средпск-иадра пгмп.п смещении аюмок ш положении рапнопссмя н к-рппаллнчсчк-оп решс1 чистого н легированного шишпем кремнии.

Таким образом, в результате проведенного исследования термического ¡асширения легированного ниобием и нелегированного кремния и [роизведенных на основе этого расчетов характеристик прочности 1ежатомных связей показано, что легирование приводит к укреплению ¡ешетки кремния и за счет этого должно предотвращать указанный (рис.1) зазовый переход и повышать его термостабильность. Что касается легирования гремния редкоземельными элементами и возникающих при этом ехнологических трудностей , то на основании полученных в данной работе юзультатов , можно заключить, что принципиальная возможность их ^пользования для повышения термостабильности кремния остается в силе. Технологические же трудности, связанные с неравномерностью распределения [томов легирующего элемента в принципе преодолимы и должны разрешаться т основе совершенствования технологии легирования.

Основные результаты и выводы по диссертации.

Данная работа была посвящена изучению легирования кремния 1ереходными металлами и редкоземельными элементами для повышения его ермостабильности.

1. В настоящей работе были получены результаты по исследованию температурной зависимости теплоемкости монокристаллического кремния летодом дифференциальной сканирующей калориметрии. При медленном тагреве со скоростью 4 К/мин была зарегистрирована аномалия на температурной зависимости теплоемкости. Наблюдаемая картина напоминает ^.-кривую, которая характерна для фазовых переходов второго рода. При более жоростном проведении эксперимента зарегистрирована монотонная ¡ависимость Ср(Т), которая практически сливается с данными справочника под

редакцией Глушко « Термодинамические свойства полупроводниковые веществ».

2. Определенная на основе полученных результатов температур; структурного превращения хорошо коррелирует с результатами исследованш других физико-химических свойств, а также с теоретическими расчетами н; основе статистической теории растворов и метода псевдопотенциала.

3. Предложен один из возможных механизмов структурного превращени: в монокристаллах кремния, наблюдаемого в интервале 530-700 К, т.е. ] интервале первого нарушения монотонности свойств монокристаллов. Пр1 высоких давлениях, как уже известно, алмазоподобный кремни! трансформируется в тетрагональную структуру типа белого олова. При нагрев монокристаллов кремния в местах стыка разориентированных участко: монокристаллов вследствие анизотропии теплового расширения возможн! возникновение очагов напряжения. В таких очагах вероятно образована выделений кремния со структурой белого олова, т.е. фазы высокого давлени или кремния -II. Образование этих выделений приводит к релаксацш напряжений и дальнейший рост выделений прекращается. При этом образуете до 5% по объему новой фазы. При более быстром нагреве описанные выш явления не наблюдаются.

4. В данной работе был обоснован выбор легирующих добавок дл кремния с помощью методов металлохимии комплексного легирования, основе которых лежит система нсполяризованных ионных радиусов. Опираяс на эту систему, были произведены расчеты энергии связи при растворени: простых веществ в кремнии.

5. Из результатов проведенных расчетов видно, что с увеличение! расстояния межд\ взаимодействующими частицами энергия связи практичен; экспоненциально снижается. Кроме того энергия связи сущест венно минет о физико-химической природы взаимодействующих вещее! и. Наиболе

высокими значениями энергии связи отличаются парные взаимодействия в двойных системах кремния с переходными металлами: вольфрамом, ниобием, танталом, хромом, а также с редкоземельными элементами. Следовательно, указанные вещества при их растворении в кремнии должны способствовать повышению его термостабильности за счет увеличения прочности межатомных связей в кристаллической решетке твердого раствора.

6. Известно, что повышение прочности межатомных связей сопровождается уменьшением коэффициента термического расширения, а это в первую очередь должно способствовать уменьшению числа очагов концентрации напряжений и соответственно высокого давления в монокристалле при его нагреве. Кроме того, за счет снижения коэффициента термического расширения существенно уменьшается влияние анизотропии термического расширения. В очагах концентрации напряжений развивающиеся давления не будут столь высокими, чтобы вызвать фазовый переход кремния со структурой алмаза в кремний II со структурой белого олова.

7. Из полученной зависимости энергии связи (Д) от межатомного расстояния ((I) между взаимодействующими частицами в двойных системах кремния с элементами таблицы Д. И. Менделеева, следует, что энергетика межатомного взаимодействия существенным образом зависит от химической природы взаимодействующих частиц. Зависимость энергии связи (Д) от

о

величины зарядовой плотности р для межатомного расстояния с! = 1.4 А. соответствующего кристаллической решетке кремния, оказывается линейной. Причем, участок прямой, располагающийся в области высоких значений связи, :овпадает со справочными данными, что указывает на надежность сделанного прогноза и дает надежду, что легирование кремния переходными или редкоземельными металлами будет способствовать решению проблемы гермостабильности кремния.

8. Согласно сделанным ранее выводам, одним из основных легирующих элементов, повышающим термостабильность кремния, должен быть ниобий. В этой связи, проведенные исследования термического расширения чистого кремния и кремния, легированного ниобием, с последующими расчетами характеристик прочности межатомных связей (характеристических температур Дебая и среднеквадратичных динамических смещений атомов из положения равновесия в кристаллической решетке), подтверждает сделанные ранее выводы. То есть, коэффициент термического расширения легированногс ниобием кремния во всем исследованном интервале температур от комнатно? до ,600 К, оказывается ниже, чем нелегированного, и следовательно легированный ниобием кремний должен быть более термостабильным.

Результаты расчетов температур Дебая для исследованных образцо! легированного ниобием кремния во всем исследованном диапазоне выше, чек у нелегированного, что так же свидетельствует в пользу вывода об увеличенш прочности межатомных связей при легировании кремния ниобием. Значеню среднеквадратичных динамических смещений атомов из положенш равновесия в кристаллической решетке у легированного ниобием кремни) оказываются ниже, чем у нелегированного, что подтверждает сделанные вьши выводы.

9. Таким образом, проведенные в данной работе, исследовани теплоемкости, термического расширения, а также расчеты характеристически: температур Дебая среднеквадратичных динамических смещений атомов и положения равновесия в кристаллической решетке для исследованны образцов кремния позволяет сделать вывод, что легирование кремни переходными либо редкоземельными металлами приводит к укрепленш решетки и за счет лого повышает его термостабильность.

Что касается легирования кремния редкоземельными племен гами, возникающих при этом технологических трудностей, можно, заключить, чт

принципиальная возможность их использования для повышения гермостабильности кремния, с учетом проведенной работы, остается в силе. Технологические же трудности, связанные с неравномерностью распределения атомов легирующего элемента в принципе преодолимы и разрешаются на основе совершенствования технологии легирования.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Глазов В.М., Тимошина Г.Г., Михайлова М.С. Принципы легирования кремния для повышения его термостабильности. // Докл. РАН. 1996. т. 347. №3. с. 352-355.

2. Глазов В.М., Тимошина Г.Г., Михайлова М.С. К обоснованию выбора легирующих добавок для повышения термостабильности кремния. // Известия РАН. Неорган. Материалы. 1997. № 6. с. 647-651.

3. Глазов В.М., Пашинкин A.C., Михайлова М.С., Тимошина Г.Г. Аномальное изменение теплоемкости при нагревании монокристаллов кремния в связи с протеканием структурных превращений. // Докл. РАН. 1997. т. 354. № I.e. 59-61.

4. Глазов В.М., Потемкин А.Я., Тимошина Г.Г., Михайлова М.С. О возможности повышения термостабильности Si путем его легирования переходными либо редкоземельными металлами. // ФТП. 1997. т. 31. № 9. с. 1025-1028.

5. Глазов В.М., Михайлова М.С. «Исследование термостабильности кремния, легированного редкоземельными элементами» тез. докл. Международной конференции г. Черновцы-1994.

6. Глазов В.М., Михайлова М.С. «Исследование теплоемкости кремния в интервале температур от комнатной до 773К». тез. докл. Международной конференции «Электроника и информатика» МИЭТ-1995

7. Глазов В.М., Потемкин А.Я., Михайлова М.С. Подход к обоснованию возможности повышения термостабильности кремния путем его легирования. // Известия ВУЗ. Цветная металлургия. 1997. №6. с.67-71.

8. Глазов В.М., Пашинкин A.C., Михайлова М.С., Тимошина Г.Г, «Аномальное изменение теплоемкости при нагревании монокристаллоЕ кремния в связи с протеканием структурных превращений». Тез. докл. V Международной конференции «Термодинамика и материаловедение полупроводников». Июнь-июль. г. Москва. 1997. С.74.

9. Глазов В.М., Михайлова М.С. Изменение характеристик прочности межатомной связи и характера температурной зависимости теплоемкости при легировании кремния ниобием. // Докл. РАН. 1998. Т.360. №2.

оака.з ЭЬ тираж 30 Gбъет* 1,1 уч. изд-л. Отпечатано в типсгт:афли 1ДЛЭТ