Рентгенодифрактометрические исследования изменений структурного совершенства бездислокационных монокристаллов кремния под воздействием ионного излучения, отжига и гидростатического сжатия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

рга од

- Національна академія наук України інститут фізики напівпровідників

УДК 548.4+548.734

Мельник Василь Михайлович РЕНТГЕІІОДИФРАКТОМЕТРИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ЗМІН

СТРУКТУРНОЇ досконалості бездислокаційних монокристалів кремнію ПІД ДІЄЮ іонного опромінення, відпалу та гідростатичного тиску

01.04.07-фізика твердого тіла

. Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидат фізико-математичних наук

КИЇВ-2000

• Дисертацією с рукопис Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників НЛН України, м.Київ.

Науковий керівник: Член-кореспондент НАН України,

доктор фізнко-математичшіх наук,

Мачулін Володимир Федорович.

Інститут фізики напівпровідників НАН України Офіційні опоненти: •

доктор фізнка-магематнчних наук, професор, завідуючий відділам,

. Бабич Вілік Максимович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України;

. кандидат фізико-матсматичних наук

старший науковий співробітник, зав. лабораторією Кігелоиський Євген Миколайович,

Інстигут металофізики ім.В.Г.Курдюмова НАН Україні,' Провідна установа: Чернівецький державний університет ім. Юрія Федьковнча

Захист відбудеться “16” червня 2000р. о/^ійгодиш па засіданні

спеціалізованої вченої ради К 26.199.01. при інституті фізики напівпровідників за адресою: 03028, Київ, пр. Науки,*15. „

З днеертаціио можна ознайомитись в бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НА11 України, Кі:їв, пр. Науки,45.

Автореферат розіслано ".¡Щ " 2000р.

Вчений секретар спеціаліз канд фіз.-мат. наук_______

званої вченої ради ^ '

_Охрімснко О.Б.

з

ВСТУП.

Актуальність теми. На сьогоднішній день досягнуто великих успіхів в області вирощування напівпровідникових монокристалів. Сучасні методи вирощування дозволяють отримувати напівпровідникові кристали, за структурою близькі до ідеальних. Завдяки інтенсивному контролю процесу вирощування вдається отримувати бездислокашйні монокристали з приблизно заданою концентрацією домішки, а тому виникла необхідність у створенні нових, розвитку та вдосконаленні вже існуючих методів їх діагностики.

Існує досить широкий арсенал різноманітних методів дослідження структурної досконалості реальних монокристалів. Найбільш повну сукупність інформації про. структуру можна отримати за допомогою дифракційних методів, які базуються на розсіюванні. короткохвильового випромінювання кристалічною решіткою. Широке застосування отримали дифракційні методи, які дозволяють наочно. спостерігати структурні дефекти в кристалах: це електронна мікроскопія, різноманітні варіанти топографічних методів. Неруйнівний контроль структури кремнієвих кристалів також можливий за Допомогою рентгенівських дифрактометричних методів, застосування яких обумовлене високою чутлив'спо до різноманітних дефектів і дозволяє отримувати досить великий об'єм необхідної інформації. Теоретичною основою таких методів є динамічна теорія дифракції рентгенівських променів на реальних кристалах, яка в даний час зазнає багатогранного розвитку.

Існують уже розроблені теоретичні уявлення, яхі дозволяють характеризувати стан структури за допомогою різноманітних параметрів дифракції. Високою чутливістю на порушення структури реальних крисгаліз володіють усереднені по об'єму (так звані інтегральні) характеристики структурної досконалості, які знаходяться за допомогою аналізу одержаних даних з рентгенівських дифрактометричних методів. Ці характеристики дають можливість оцінювати стан структурної досконалості як якісно так і кількісно, а також експресно отримувати інформацію про структурні спотворення. На сьогодні представляє значний інтерес накопичення і систематизація експериментальних даних про процеси дифракції на кристалах з дефектами різної природи. Ця інформація може використовуватись для розвитку фізичних уявлень механізмів дифракції, проведення аналізу коректності застосування теоретичних виразів, які пов'язують параметри дифракції з інтеї рольними характеристиками структури, оптимізації умов дифракційних експериментів для підвищення експресності, розширення можливостей діагностичних методик та створення більш гнучких та простих методів структурної діагностики.

Основну увагу приділяється рентіснівським дифракційним методам, які базуються на динамічній теорії розсіювання в геометрії Брега, розвиток якої на певному етапі зазнав сповільнення. А тому недостатнє вивчення цих методів гальмує розвиток окремих експресних підходів та методик, які базуються на дифракції в даній геометрії.

'І'аким чином, на основі всього вищесказаного погрібно відмітити, що дана робота косить актуальний характер, а вивчення структурних змін у монокристалах кремнію під дією різноманітних фізичних факторів є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, илаиами. темами. Робота виконана згідно з планами науково-дослідних робіт інституту фізики напівпровідників НАН України за темою: “Дослідження структури

напівпровідникових монокристалів під дією різних фізичних факторів” (№ держреєстрації 0195и0245/2) та в рамках спільних наукових польсько-українських досліджень.

Мста і задачі дослідження: експериментальні дослідження

закономірностей динамічної теорії дифракції рентгенівських променів на бездислокаційних монокристалах кремнію, в яких присутні різноманітні спотворення структури, що утворились у процесі різних технологічних обробок.

Наукова задача поєднує: 1) вивчення впливу спотворень на величину і поведінку інтегральної відбиваючої здатності та її компонент в залежності від порядку відбиття з метою отримання нової інформації про характер динамічної дифракції рентгенівських променів на слабоспотворених кристалах і оптимізації умов дифрактометричного експерименту в гсг 'трії Брега; 2) вдосконалення розроблених методів діагностики та розш, .ня їх іраниць застосування; 3) дослідження закономірностей дифракції рентгенівських променів на масивних реальних кристалах кремнію для розви тку уявлень про вплив структурних спочворень на параметри дифракції і перевірки теоретичних представлень; 4) контролю та иевсдінки змін структурної досконалості монокристалів кремнію після технологічних обробок нід паливом різних фізичних факторів. _ •

Наукова новнша одержаних результатів. При дослідженні структурної досконалості монокристалів з різноманітними дефектами та впливу їх на інтегральну відбіш.ночу здатність в даній роботі примано ряд нових наукових результатів: .

• Розширено умови застосування методики просторового розподілу дифракції рентгенівських променів в геометрії Брега, яка базується на

розділенні вкладів когерентної та дифузної компонент інтегральної відбиваючої здатності в області х<2Л, де присутня когерентна компонента. Подані представлення поведінки дифрагованої інтенсивності на кристалах з неоднорідно розподіленими по глибині дефектами структури.

• Встановлено когерентний характер взаємодії рентгенівських променів з пленарними дефектами різної товщини і гладкості в об'ємі зразків за допомогою моделі, яка основується на чисельних розв'язках рівнянь Такагі-Топена.

• З'ясовано вплив високотемпературного відпалу і гідростатичного тнеку на процеси еволюції кисневих преципітатів в монокристалах кремнію, які відіграють роль внутрішніх гетеріз, в різних областях температур відпалу (преципітації, розчинення кисневих кластерів).

• За допомогою незалежних методів досліджень структури виявлено суттєвий вплив величини гідростатичного стискування на інтегральні характеристики структурної досконалості монокристалів, що обумовлено зміною параметрів дефектів.

• Встановлено вплив іонної імплантації та характеру хімічної активності домішки на процеси утворення радіаційних 8іОх-кластерів. Виявлені відмінності дефектних структур після відпалу при температурах розпаду твердого розчину кисню в кристалах, які містять різну вихідну концентрацію кисню.

• Експериментально вивчений вплив дефектів різної природи на величину інтегральної відбиваючої здатності кристалів, а також на характер профілів кривих просторового розподілу інтенсивності в геометрії Брега, обумовлений дією різних фізичних факторів.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані в дисертації нові результати роззивають представлення про особливості дифракції рентгенівських променів на реальних кристалах, які містять дефекти різної природи, а також доповнюють загальну експериментальну базу для розширення функціональних можливостей і створення нових методів дослідження структури монокристалів. Розроблені і удосконалені в роботі методи дають можливість експресного отримання кількісної і якісної інформації про структурний стан зразків, про тип (кластери, дислокаційні петлі, захоронені шари) точкових дефектів, які утворилися в результаті впливу різних фізичних факторів (іонного опромінення, високотемпературного відпалу, гідростатичного тиску). А тому все це викликає інтерес для вдосконалення методів технології вирощування і обробки монокриеталічногл

матеріалу в процесі створення напівпровідникової бази для виробництва приладів і інтегральних схем.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі узагальнені результати експериментальних досліджень, виконаних дисертантом особисто в рамках задач, поставлених науковим керівником. Дисертантом особисто проведена основна частина експериментальних вимірювань та обробки одержаних результатів. Він приймав безпосередню участь в постановці таких задач як удосконалення методу просторового розподілу до діагностики реальних кристалів, моделюванні експерименту, вибору оптимальних умов дифракції при проведенні експериментів. Оскільки дисертант приймав активну участь в написанні, оформленні і обговоренні статей, він являється повноправним членом авторського колективу в усіх матеріалах опублікованих наукових праць у співавторстві.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались і обговорювались на слідуючих конференціях і семінарах: “4й1 international school and symposium on synchrotron radiation in natural science” (15-20 червня 1998 року, Польща), “Зл international school and symposium on physics and materials science” (Jaszowiets, 1998, Польща), наукових семінарах Інституту фізики напівпровідників НАН України.

Публікації. За темою дисертації опубліковані 5 наукових статей та 2 тез доповіді на конференціях.

Дисертація загальним об'ємом 169 сторінок складається з 5 розділів, вступу та заключної частини і вміщує в себе 29 рисунків, 6 таблиць та список літератури із 170 найменувань. '

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

У вступі обгрунтована актуальність вибраного напрямку досліджень, коротко розглянутий стан проблеми на сьогоднішній день, зв'яззк з науковими планами, сформульовані мета і задачі виконаних наукових досліджень, наукова новизна одержаних результатів, їх практичне значення та відомості про апробацію, а також кількість публікацій та тез, опублікованих за темою дисертаційного матеріалу.

V першому розділі зроблено літературний огляд по темі дисертації та проаналізовано стан питання на сучасному _ lапі. Коротко розглянуті теоретичні та експерименіальні аспекти проблеми дифракції рентгенівських променів на реальних монокристалах в Jlaye- та Брег- геометрії, а також дефектоутворення в кремнії, обумовлене еволюцією кисневих дефектів та

іонною імплантацією. Важливу увагу приділено можливості використання дифракційних ефектів для визначення інтегральних характеристик структурної досконалості в кристалах кремнію. Аналіз оглянутих літературних даних підтвердив актуальність поставленої в рамках роботи задачі.

Другий розділ обгрунтовує основні аспекти апаратурних та методичних особливостей, характерних для виконаних рентгенівських дифрактометричннх вимірювань.

У третьому розділі наводяться наглядні результати модельних та експериментальних досліджень по впливу неоднорідних структурних пошкоджень (тонкі і товсті захоронені шари, полоси росту в процесі відпалу) а кристалах кремнію. .

В першому параграфі за допомогою розв'язків рівнянь Такагі-Топена змодельовано вплив плаиарних дефектів на поведінку дифрагованої інтенсивності рентгенівських променів в геометрії Брега вздовж напрямку поверхні кристалу та в дельті Бормана. Об'єктом досліджень був вибраний монокристалічний кремній, в якому в якості модельного виду планерних дефектів був вибраний захоронений шар з точкових дефектів, локалізований'на глибині 20 мкм, починаючи від його границі, паралельно поверхні кристалу і відбиваючим площинам. Для дослідження використовувалось симетричне 400-відбиття для Ag Ка|-випромінювання рентгенівського характеристичного спектру. В першому випадку моделювався тонкий плоский шар з однорідним розподілом точкових дефектів (з гладкими границями) товщиною 1 мкм від поверхні, яка набагато менша екстинкційної довжини для даних дифракційних умов (Д0=55.4 мкм). Другий випадок демонструє захоронений шар товщиною 20 мкм також з гладкими границями розділу. В третьому випадку змсдсльований захоронений шар з шорсткими границями розділу з неоднорідним розподілом точкових дефектів вздовж своїх границь, ЩО є найбільш близьким реальним явищем при утворенні захороненого тару обумовленого імплантацією високоенергетичними іонами. Товщина шару і глибина залягання аналогічні випадку 1.

Основні результати для однорідного поля деформацій вздовж границь гладкого пленарного дефекту (випадки 1 і 2) наглядно демонструють слідуючі особливості дифракції рентгенівських променів (рис.І). Як видно ч рис.І для моделі гладких захоронених шарів досить добре спостерігаються картини екстинкційних биттів, добра видимість освіченого дефекту та його границь, багаторазові відбивання променів від границь дефекту та ефект хвилеводу в товстому шарі. Ііо стрибках інтенсивності на дифрактограмах можна знаходити товщину залягання шару та його власну гонщику. Отримані

результати дозволяють зробити висновок про подібність механізмів розсіювання рентгенівських променів на планариих дефектах з гладкими границями з дифракційними механізмами, які проявляються на границях кристал-вакуум та границях дефектів упаковки.

ГІри неоднорідному розподілі деформацій (випадок 3) вздовж границь пленарного дефекту (шорсткий захоронений шар), які мають місце при неоднорідному розподілі дефектів кулонівського типу вздовж границі захороненого шару спостерігаються слідуючі ефекти (рис 2): розмиття єксті п цінних биттів за рахунок появи дифузної компоненти розсіювання на дефекг&х; збільшення області взаємодії падаючого пучка з границею дефекту, що приводить до зміщення стрибка інтенсивності та аномальної видимості точкових дсфеет... за рахунок флуктуацій їх вздовж границі захороненого шару. Ця модель розсіювання планарким дефектом найбільш близька до ситуації, коли в кристалі присутній захоронений шар, обумовлений гальмуванням високоенергетичних іонів. Дифракційне зображення реального захороненого шару являється суперпозицією зображень окремих точкових дефектів кулонівського типу і зображення планарного дефекту, як результату взаємодії рентгенівських променів з комплексним усередненим полем спотворнь від сукупності точкових дефектів, що утворюють захоронений шар.

0,, 0,

5, ,5ї

Рис. 1."Голограма розподілу інтенсивності. Рис.2.Топографічний розподіл інтенсивності днфрагопаного випромінювання в, дифрагованого випромінювання в

дельті Бормана для захороненого шару трикутнику Борна;;а для тонкого

з гладкими іралицямн товщиною 20 захороненого шару з неоднорідно

мкм, локалізованого на глибині 20 розподіленими дефектами (шорсткими

мкм. границями), локалізованою на глибині

20 мкм.

В другому параграфі обгрунтована можливість виділення дифузної компоненти повної відбиваючої здатності кристалів кремнію „та визначення коефіцієнта додаткових втрат енергії за рахунок дифузного розсіюзання рентгенівських променів на дефектах з аналізу кривих просторового

розподілу дифраговакого в геометрії Брега пучка на кристалах з однорідним і неоднорідним розподілом дефектів по глибині. Об'єктами досліджень послужили бездислокаційні монокристали кремнію з різним ступенем структурної досконалості. Для отримання їх відповідної дефектної структури кристали підлягались іонному опроміненню, а також циклу високотемпературних відпалів, які призводили до зміни кисневих дефектів по глибині.

Одержані результати із проведених досліджень показали принципову можливість виділення дифузної компоненти з кривих просторового розподілу інтенсивності дифрагованого пучка в областях, де присутня і когерентна

• складова в зразках з однорідним розподілом дефектів (рис.З), а також в тонких (К2Д) зразках. А тому, аналізуючи представлені експериментальні криві, раніше наведена в літературі умова х>2Л (Л-довжина екстинкції) може бути значно послаблена. В цьому випадку за допомогою отриманого виразу доведено зміст нахилу графіка залежності 1п[(І-Ііп)/І0] від координати х вздовж поверхні кристалу, як значення коефіцієнта додаткових втрат енергії при дифузному розсіюванні ¡лгіа. Показано також можливість контролю параметрів структурної досконалості в кристалах з неоднорідним розподілом дефектів без обмежень на товщину досліджуваних зразків (рис.4). Крім того, виявлено і обґрунтовано за допомогою отриманого математичного виразу та експериментальних досліджень дифракційне явище зменшення ефективного поглинання дифузного розсіювання в структурно неоднорідних кристалах саме завдяки впливу внесків розсіювання від глибинних шарів з дуже пошкодженою структурою в повну відбиваючу здатність.

У четвертому розділі досліджувалась структурна досконалість монокристалів кремнію, отриманих за методом Чохральського та безтигельної зонної плавки під дією різних фізичних факторів в умовах дії гідростатичного стискування. Застосування дії гідростатичного тиску стимулювало утворення кисневих дефектів в кремнії з гетерними властивостями. Дослідження структури велись за допомогою рентгенівських дифракційних методів ч геометрії Лауе та Брега. На основі аналізу отриманих експериментальних результатів знаходились інтегральні характеристики структурної досконалості кристалів у вихідному стані і після обробок.

У першому параграфі досліджувався вплив зміни структури опромінених іонами кисню кристалів кремнію, вирощених методом безтигельної зонної плавки і відпалених гіри температурах розпаду твердого розчину кисню в

0.«

X ,см

Рис.З.Залежність логарифму різниці 1п[(І-І„У І„] інтенсивностей доіфрагованих в геометрії Брега рентгенівських

променів для однорідного реального, І та досконалого, кристалів від

координати х вздовж поверхні зразка (800-відбнттл Ае_______Ка,______випромінювання). . ■

Рис.4. Залежність характеру просторового розподілу дифрагованих променів від термообробок кристалу кремнію і високим вмістом легуючого кисню. 1 - вихідний стан, 2- 1050 °С, 5 годин, 3-1050 °С, 5 годин+1100 °С, 8 годин, 4- 1050 °С, 5 годин+1100 °С, 8 годин +1100 °С, 8 годин.

умовах дії гідростатичного тиску на дифракцію рентгенівських променів в геометрії Брега. Кристали кремнію з порівняно малим вмістом кисню (С0-!016 см'3) після вирощування були піддані опроміненню іонами кисню О*, з енергією 200 кеВ і дозами 10|6+1017 см'1 і відпалювались при температурі 1130 °С при варіюванні величини гідростатичного тиску (1 бар-12 кбар), що приводило до активізації процесу формування БіО,-преципітатів в недалекому від поверхні зразка шарі. Зміни структурної досконалості зразкіз досліджувались раніше розробленими методами (просторовий . розподіл інтенсивності, аналіз інтегральної відбиваючої здатності для г «Ьлексів різних пораді .н відбитої) з використанням Лg Ка,-компоненти . ..еристичного спектру рентгенівських променів. .

На основі проведених досліджень було встановлено погіршення структурної досконалості опромінених іонами кисню монокристалів в умовах наростання величини гідростатичного тиску. Зафіксовано зростання інтегральної відбиваючої здатності та значне розширення кривих просторового розподілу інтенсивності так. як і картин ізоінтенсивного дифузного розсіюіиння біля вузла оберненої гратки. Поява віО/преципітатів у кристалах була зафіксована завдяки інтенсивному дифузному розсіюванню, визваному цими .кфектами, тільки поблизу шару, утвореного внаслідок імплантації. Відпал при наростаючому гідростатичному тиску додатково стимулював процес розпаду твердого розчину кисню поблизу імплантованого шару, про що »'.відчаї і> зняті криві просторового розподілу інтенсивності для рефлексів ЕИЗЬКОІ о(Ш-симетричне відбитті порядку.

Другий параграф демонструє зміну інтегральних характеристик дефектів, зокрема характерного радіуса і концентрації, в монокристалах кремнію, вирощених за методом Чохральського і відпалених в області температур розчинення кисневих кластерів під дією гідростатичного стискування. Сім зразків: 1-вихідний, 2-4 - відпалені при температурі 1579 К, 5 хвилин з варіюванням тиску 1 бар - 10 кбар, 5-7 -відпалені при температурі 1623 К, 30 хв з таким же варіюванням величини тиску, досліджувались за допомогою незалежних рентгенівських дифракційних методів в геометрії Лауе і Брега з використанням Cu Ксц- і Ag Ка,- випромінювань з метою створення дифракційних умов наближення “товстого” і “тонкого” кристалів, відповідно та аналізу нормованої на 10 дифрагованої інтенсивності в хуангівській області спектру. Згідно рівнянь з динамічної теорії Дедерікса, знаючи статичний фактор Дебая-Валлера L і коефіцієнт додаткових втрат енергії ц(і! було отримано характерні радіуси г, концентрації п та потужності дефектів пг9/2 у вихідному стані і після обробок двома незалежними підходами.

Проведені дослідження показали, що гідростатичне стискування приводить до певного гальмування процесів розчинення кисневих преципітатів в їх області ретроградного розчинення. Відбуваються процеси поглинання малих кластерів більш великими, що видно з аналізу одержаних інтегральних характеристик структурної досконалості та величин г і пг>/2. Причому, з незначним ростом температури і часу обробки процеси сповільнення розчинення виявляються більш яскраво. Поєднань незалежних методів дослідження дефектної структури дозволило отримати близькі значення радіусів мікродсфектів у вихідному стані (г,і і2) і виявити наявність в кристалах дефектів різних розмірів, що утворились під дією гідростатичного тиску, а також визначити їх основні параметри.

В третьому параграфі за допомогою вимірювання інтегральної відбиваючої здатності для різних порядків відбиття та просторового розподілу інтенсивності (111- симетричне відбиття) по товщині для AgKal-випромінювання досліджувались структур, досконалості бездислокаційних кристалів кремнію з низькою вихідною концентрацією домішки, кисню після імплантації іонами водню з енергією 135 кеВ, дозою 6-Ю16 см"2 та відпалу при температу рі 650 °С а умовах гідростатичного стискування. Велнчина високого тиску варіювалась в межах 1 бар-)2 кбар, а час витримки при відпалі змінювався в межах 0.5-10 годин. .

Виявлено дефектоутвореиня на глибинах, які перевищують глибину , залягання захороненого шару, про що свідчить дифузне розсіювання рентгенівських променів, яке, імовірно, відбувається на водневих

бульбашкоподібних порах, що виникають внаслідок швидкої дифузії водню під час відпалу імплантованих зразків. З наростанням величини гідростатичного тиску при відпалі відбувається деяке покращення структурної досконалості кристалів. Збільшення часу відпалу та величини гідростатичного тиску приводить до зменшення значень інтегральної відбиваючої здатності, та відносної долі спотвореної гратки, ра. Гідростатичний, тиск стимулює процес водневого пороутворення на значних глибинах, які відповідають глибинам формування дифракційних максимумів.

П'ятий розділ присвяченні! дослідженню структурної досконалості бездислокаційних монокристалів кремнію, вирощених за методом Чохральського, при утворенні радіаційних віО, кластерів, обумовлених опроміненням високоенергетичними іонами різної хімічної активності з атомами основної матриці. Заодно наводиться порівняння дефектних структур даних кристалів, відпалених в атмосфері кисню при температурі розпаду твердого розчину кисню, та кристалів, отриманих з порівняно низькою концентрацією кисню після' вирощування, які розглядались в параграфі 1 розділу 4.

В першому параграфі досліджувались спотворення структури, які виникли в кристалах кремнію, опромінених високоенергетичними іонами кисню О3* і Ме3* з різною хімічною. Товсті (~3 мм) бездислокаційні зразки кремнію були піддані опроміненню іонами кисню і неону з однаковими дозами (1 • 10!4 см'2) та енергіями (Е=4 МеВ). Для виявлення розрахованих за допомогою програми ТКІМ-89 спотворених зон на відповідних глибинах 50 і 48 мкм, обумовлених опроміненням, застосовувався комплекс рентгенівських методів^ основними з яких були вимірювання інтегральної відбиваючої здатності для різних порядків відбиття та просторовий розподіл дифрагоааної інтенсивності (рефлекс 440) в геометрії Брега.

На основі проведених наукових досліджень було встановлено докорінну відмінність дефектних структур, які виникли в кристалах після опромінення трьохкратно іонізованими іонами кисню та неону. У випадку опромінення іонами Ие3* були зафіксовані поля пружних деформацій від спотвореного шару на глибині, де проходило їх гальмування, іцо було також підтверджено профілями кривих просторового розподілу (рис.5) ¡а знятими інтегральними відбиваючими здатностями для різних порядків відбиття, які засвідчили рідповідне погіршення структури. У випадку опромінення іонами 03+ з аналізу інтегральних відбиваючих здатностей було виявлено покращення, порівняно з вихідним станом, структурної досконалості кремнієвого зразка, яке, імовірно, проходить в результаті хімічної взаємодії атомів кремнію з іонами кисню в

малих об'ємах кристалу, де утворюються радіаційні зародки фази БіО,, які являються ефективними стоками надлишкових точкових дефектів навколо

треку гальмування іонів кисню. Це вдосконалення структури було зафіксоване і

просторовим розподілом інтенсивності, де було наявне відносне звуження ширини кривої просторового розподілу для цього зразка порівняно з вихідним (рис.5).

В другому параграфі йде порівняння змін структурних досконалостей кристалів кремнію, отриманих за методом Чохраль-ського і безтигельної зонної плавки, які були опромінені іонами 01+, Ке3* та 0+ і відпалювались при температурах розпаду твердого розчину кисню.

За результатами проведених досліджень зафіксовані зростання інтегральних відбиваючі«

здатностей рентгенівських променів для брегівських рефлексів і значне розширення кривих просторового розподілу інтенсивності після "чсокотемпературного відпалу для »>оох типів кристалів з різним пдчатковим вмістом кисню. На

І У

, ■V ■

їй ч

У// 1 ,■■■»- т-Г-т< ч-

-0.01 0.00 0.01 0.02 і, СМ

Рис.5- Крив» ПрОСТОрОІОГО розподілу !НТЄНСНВ' нсстІ Ідр відбитого в геометрії Брега пучка; х- координати, яка відраховувалась вздовж поверхні від місця падіння первинного пучка з інте»-сивністю І,. *

І'Вмхілний стан« ¿-опроміненні О**, 3-оп^оиі-н«кн« Ке .

відміну від кристалів, вирощених методом безтигельної зонної плавки, де поява в і О,- преципітатів була відкрита завдяки інтенсивному дифузному розсіюванню на цих дефектах тільки поблизу захоронекого шару, у випадку кристалів, одержаних методом Чохральського ці дефекти формувалися не тільки поблизу спотвореного шару, але і по всьому об'ємі зразків. Активний хід процесу . преципітації в зразках, впрошених методом Чохральського, спостерігається у випадку імплантації саме хімічно активними іонами 0і\ порівняно з випадком хімічно нейтральних іоиів Ке3+, де за розрахунками статичного фактора Дебая-Валлера зафіксовані менші структурні спотворення. .

В заключній частині сформульовані основні результати і висновки, що наведені нижче. ■

- ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ РОБОТИ. ,

' - . N

1. На прикладі моделювання дифракційного експерименту для кристалів з захоронеиим шаром в геометрії Брега виявлено можливості аналізу глибини залягання дефектного шару, його товщини та показана аномальна видимість точкових дефектів, які знаходяться поза дельтою Бормана.

2. Виявлено можливість розділення повної відбиваючої здатності при просторовому розподілі від кристалів з рівномірно розподіленими дефектами на когерентну та дифузну складові в області х<2Л, а також для тонких \<2А кристалів, де доведено можливість здійснення кількісного та якісного структурного аналізу. Для. структурно-неоднорідних кристалів, та пояснено поведінку інтерференційного коефіцієнта поглинання, яка залежить від вкладу стрибків дифузного розсіювання від дефектів у вигляді шарів.

3. Показано, що участь гідростатичного тиску при відпалі приводить погіршення структурної досконалості імплантованих іонами кисню кремнієвих монокристалів. В опромінених кристалах з малою вихідною концентрацією домішки кисню тиск сприяє до активізації процесу преципітації поблизу імплантованого шару для якого суттєвий вплив має і попередній відпал.

4. Високотемпературне гідростатичне стискування кристалів кремнію, що містять гранично можливу концентрацію міжвузлового кисню після вирощування, приводить до погіршення структурної досконалості зразкіз за рахунок гальмування процесу розчинення преципітатів 8ЮХ в області температур їх ретроградного розчинення. Наростання величини тиску приводить до зниження характерного радіуса та зростання концентрації дефектів. В процесі ліквідації вказаних мікродефектів відбувається поглинання менших’ преципітатів більш великими, що супроводжується зменшенням статичного фактора Дебая-Валлера. При зростанні температури і часу обробки процес розчинення кисневих преципітатів активізується.

5. За допомогою проведених рентгенівських досліджень на бездислокацшних кристалах кремнію, опромінених іонами водню і відпалених при температурі утворення водневих дефектів-пор, 650 °С, виявлено значне проникнення іонів Н+ під дією швидкої дифузії та гідростатичного тиску. З наростанням величини тиску та часу витримки при відпалі структурна досконалість імплантованих кристалів покращується, що підтверджується спаданням величини інтегральної відбиваючої здатності, К;, та відносної долі спотвореної гратки, р0. Зростання хвостів дифузного розсіювання свідчить про те, що утворення водневих пор проходить на більших глибинах, ніж глибина проникнення іонів водню, обумовлена імплантацією.

6. Встановлено відмінність дефектних структур в бездислокаційних

монокристалах кремнію, опромінених тричі іонізованими високоенергетичними іонами кисню О11 та неону Ne3*, близьких енергій та мас. У випадку опромінення іонами Ne3* спостерігається приповерхневий спотворений шар, а також поля деформації між шаром і матрицею, в той час як у випадку опромінення кисневих іонів О3* виявлено деяке покращення структурної досконалості, імовірно, за рахунок хімічної взаємодії іоніо кисню з кремнієм. В малих об'ємах кристалу, де утворюються мікроскопічні радіаційні зародки фази SiO„ за рахунок локальних нагрівів гратки, проходить стікання надлишкових. точкових дефектів в області з деформованого структурою. •

7. Після відпалу їх при температурах розпаду твердого розчину кисню зафіксовано погіршення структурної досконалості за рахунок преципітації, яке більш помітне у зразку, опроміненому хімічно активним киснем. Такий же відпал при опроміненні хімічно нейтральними іонами неону приводить до послаблення процесу преципітації. Хімічно активні домішки кисню створюють більш вигідні умови для появи активних центрів преципітації в середині матриці кремнію, а також самі беруть активну участь в утворенні SiO„-преципітатів.

Основні результати дисертації опубліковані в таких наукових працях:

1. Auleutner Datsenko L., Klad’ko V., N ..chulin V., Melnyk V., Prokopenko I.. Bak-Misiuk J., Misiuk A. Influence of hydrostatic pressure at the temperatures about 1500 K on defect structure of Chochralski silicon. // J. of Alloys anc Compounds.-1999.-v.2S6.-p.246-249.

2. Мачулін В.Ф., Дацекко Л.І., Кладько В.П., Мельник В.М. Особливості просторового розподілу дифузного розсіюзання рентгенівських променів £ структурно неоднорідних кристалах. // УФЖ.-1999.-т.44,№10.-е. 1234-1240.

3. Auleutner J., Datsenko L., Machulin V., Klad’ko V., Melnyk V., Prokopenko I Structural damages in Si single crystals appearing after irradiation by higt energy ions of oxygen and neon. // Acta Phys. Polonica A.-1999.-v.96,№l.-p.137-142.

4. Datsenko L., Auleutner J., Misiuk A., Klad’ko V., Machulin V., Bak-Misiuk J.. Zumierska D., Antonova L.V., Melnyk V., Popov V.P., Czosnyka T. anc Choinski J. Structure perfection variations of Si crystals grown by Chochralski and fioating zone methods after implantation of oxygen or neon atoms followec by annealing. H Seinicond. Phys., Quantum Electronics & Optoel.-1999.-v.2,№1.-56-61.

5. Григорьев Д.О., Дацекко Л.И., Кпадько В.П., Крыштаб Т.Г.„ Мачулин В.Ф., Прокопенко И.В., Мельник В.М. Топология маятниковых колебаний интенсивности в кристаллах е планарными дефектами в случае Брегг-дифракции. // Металлофизика и нов.. техн.-2000.-т.22,№2.-с.58-65.

Анотація.

Мельник В.М. Ре.чтгенодифрактометричні дослідження змін структурної досконалості бездислокаційних кристалів кремнію під дією іонного опромінення, відпалу та гідростатичного тиску - рукопис.

Дисертація на здобуття кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07.-фізика твердого тіла. - Інститут фізики

напівпровідників НАН України, Київ, 2000.

Робота присвячена експериментальному дослідженню закономірностей динамічної дифракції рентгенівських променів в геометрії Брега на кристалах, які містять різноманітні спотворення структури під дією різних фізичних факторів. Застосовувались методи, які базуються на вимірюванні інтегральної відбиваючої здатності та профілів просторового розподілу дифрагованої інтенсивності рентгенівських променів. _

Змсдельопано і експериментально перевірено поведінку дифрагованих рентгенівських променів на неоднорідно спотворених кристалах кремнію, які містять плапарні де ректи у вигляді глибинних шарій, обумовлених іонною імплантацією та відпалом. За допомогою рентгенівських дифрактсмегричних досліджень доведено, що високотемпературне гідростатичне стискування, в цілому, погіршує стан структурної досконалості кремнієвих кристалів з різним Вмістом кисню після впливу різних фізичних факторів, а саме: стимулює процес преципітації та сповільнює процес розчинення кисневих кластерів. Встановлено покращення структури кремнію після опромінення хімічно активними високоенергетичними іонами О3* порівняно з вихідним станом, ніж у випадку хімічно нейтральних іонів Ne3*, де зафіксовано спотворений шар. Проте" після високотемпературного відпалу більш активним є процес преципітації в кристалах, опромінених саме іонами кисню, який проходить по всьому об'єму кристалу, збагаченого киснем після вирощування. В кристалах з порівняно малим початковим вмістом кисню цей процес активізується поблизу захороненого шару. . *

Ключові слова: дифракція, структурна досконалість, інтегральну

відбиваюча здатність, просторовий розподіл інтенсивності, дифузіц розсіювання, статфактор Дебая-Валлера, преципітація. •

Аннотация.

Мельник В.М. Рентгенодкфрактометрические исследования изменений структурного совершенства бездислокационных монокристаллов кремния под воздействием ионного излучения, отжига и гидростатического сжатия. -рукопись.

< Диссертация на соискание кандидата физико-математических наук за специальностью 01.04.07.-физика твердого тела,- Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2000,

Работа посвящена экспериментальному исследованию закономерностей динамической дифракции рентгеновских лучей в геометрии Брэгга на кристаллах, содержащих разнообразные искажения структуры под воздействием разных физических факторов. Применялись методы, основанные на измерении интегральной отражающей способности и профилей пространственного распределения дифрагированной интенсивности рентгеновских лучей.

Смоделированно и экспериментально изучено поведение дифрагированных рентгеновских лучей на неоднородно искаженных кристаллах кремния, которые содержат планарные дефекты у виде глубинных шаров, обусловленных ионной имплантацией та отжигом. При помощи рентгеновских дифрактометрических исследований доведено, что высокотемпературное гидростатическое с ггие, в целом, ухудшает состояние структурного совершенства кремниевых образцов с различным содержанием кислорода после влияния различных физических факторов, а именно: стимулирует процесс преципитации та замедляет процесс расплавления кислородных кнастеров. Установлено улучшение структуры кремния после облучения химически активными высокоэнергетическими ионами 03+ по сравнению с исходным состоянием, чем а случае химически нейтральных ионов Ые3\ где обнаружено искаженный шар. Однако после высокотемпературного отжига более активизируется процесс преципитации в кркстплпах, облученных именно ионами кислорода, который проходит по всему объему кристалла, обогащенного кислородом после выращивания. В кристаллах со сравнительно маиым начальным содержанием кислорода этот процесс активизируется поблизости захороненного шара.

Ключевые слова: дифракция, структурное совершенство, интегральпад отражающая способность, пространственное распределение интенсивности, диффузное рассеяние, статфактор Дебая-Валлера, преципитация. •

Summary*

Melny k V.M. X-ray diffraction investigation of structural perfection changes of the dislocation-free silicon crystals under the influence of ion radiation, annealing and hydrostatic pressure. .

The physics and mathematics candidate (Ph.D) thesis on speciality 01.04.07.-Solid State Physics. Institute of Semiconductors Physics, National Acadcmy of Scienct i 'Ukraine, Kyiv, 2000.

This thesis is devoted to the experimental investigation of regularities of the dynamical X-ray Bragg diffraction on crystals, containing various structural distortions under different physical factors influence.

Techniques based on measuring of integrated reflectivity and profiles of diffracted intensity spatial distribution have been applied. • .

Diffracted X-rays behavior on the inhomogeneous distorted silicon crystals, containing planar defects as deep layer resulted from ion implantation and annealing was established and experimentally tested. With the help of X-ray diffractometrical investigations it was proved that hydrostatic pressure leads to substantial lowering of structural perfection of silicon crystals containing oxygen, that is: stimulates precipitation process and decelerates the oxygen clusters dissolution process.

Silicon crystals structural improving was determined after the radiation by chemically active high-energy ions 03r comparing with the initial condition more then in a case of chemically neutral ions Ne3+, where distorted layer is found. The precipitation process is more active in the crystals, implanted just by oxygen ions, and takes place through the volume of the oxygen enriched crystal after growing. This process becomes active near the buried-in layer in the crystals with rather small oxygen cfontents.

Key words: diffraction, structural perfection, integrated reflectivity, intensity spatial distribution, diffuse scattering, Debye-Waller static factor, precipitation. '

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидат фЬико-математичшіх наук

Під. до друку«ІЧ'рмаї паперу 60 х 80/10. Офсетний друк. . Ум.лрук. арк, 1,1. (Жтмід.арк. ЦЛ. Тираж 100 прим. .

Заминлемпя №2^. ЬЧмкоштоішл.

03650 . Інститут (¡п ліки ПЛІ І України, НІ 111, Киї».

• проспект !!аукіі,46