1.1.7 Виды дефектов в кристаллах

Любые отклонения от регулярного расположения частиц в крис­талле называют дефектами структуры. Структура реальных кристал­лических веществ отличается от идеальных. В реальных кристал­лах всегда имеют место дефекты. Дефекты кристаллического строения оказывают большое влияние на все свойства кристаллических тел: механические, магнитные, электрические, оптические и хими­ческие.

Отклонения от идеальной решетки могут быть временными и постоянными. Временные отклонения возникают при воздействии на кристалл механических, тепловых и электромагнитных колебаний, при прохождении через кристалл потока быстрых частиц и т.п. К постоянным несовершенствам относятся точечные дефекты (междоузельные атомы, вакансии, примесные атомы), линейные дефекты, (дислокации), плоские поверхностные дефекты (границы зёрен, границы самого кристалла) , объёмные дефекты (закрытые и открытые поры, тре­щины, включение постороннего вещества).

Точечные (нульмерные) дефекты имеют размер порядка диаметра атома. Основной причиной, их возникновения является переход атомов за счёт теплового движения из узлов кристаллической решетки в междоузлие. Точечный дефект, представляющий собой незаполненное место в узле кристаллической решетки, называют вакансией (рисунок 1.9 а). Другие типы точечных дефектов образуются за счёт замещения собственного атома в узле кристаллической решетки атомом при­меси (рисунок 1.9б) или в результате внедрения атома принеси в междоузлие (рисунок 1.9в).

Рисунок 1.9 - Основные, виды точечных дефектов

Линейные (одномерные) дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяжённость в третьем измерении. Они представляют собой нарушение кристаллической структуры вдоль некоторой ли­нии и называются дислокациями. Возникают дислокации при меха­нической и термической обработке кристаллов. Различают краевые и винтовые дислокации. Краевые дислокации образуются в кристал­лах, подвергнутых деформации сдвига (рисунок 8а).

Рисунок 1.10 - Виды дислокации

Винтовые дислокации образуются при скольжении одной атомной плоскости отно­сительно другой по винтовой линии не менее чем на один период (рисунок 8б).

Дислокации существенно ухудшают свойства материалов. В ме­таллах, например, снижают механическую прочность, а в полупро­водниках значительно увеличивают проводимость, вызывают рассе­яние носителей заряда, служат центрами рекомбинации и генерации носителей заряда.

Поверхностные (двухмерные) дефекты малы только в одном измерении. Они представляют собой поверхности раздела между

отдель­ными зёрнами или блоками веществ. Возникают поверхностные дефек­ты в процессе кристаллизации вещества.

Объемные (трехмерные) дефекты имеют существенные размеры во всех трех измерениях. Такие дефекты возникают при изменении условий роста кристалла.

1.1.8 Влияние термической обработки на структуру свойства материалов

Термическая обработка базируется на теории структурных и фазовых превращений в материале (например, в стали) при его нагреве и охлаждении. Термическая обработка характеризуется графиком в координатах температура-время(рисунок 1.11)

Закалочная среда	Скорость охлаждения в оС/с в интервале температур оС
	600-500	300-200
Вода 18°С	600	270
Вода 75°С	30	200
Соляный р-р H2O	11000	300
Масло индустриальное	120	25
Сжатый воздух	30	10
Спокойный воздух	3	1

Рисунок 1.11. Термическая обработка

К термической обработке относят отжиг, закалку, отпуск и др. Производительность термической обработки возросла за счет использования лазеров.

Отжиг – устраняет неоднородность материала, обеспечивает получение равновесного химического состава, проводят отжиг при t> и <t фазовых превращений. Различают диффузионный отжиг, отжиг для снятия внутренних механических напряжений. Отжиг способствует увеличению пластичности.

Закалка – это упрочняющий вид термической обработки, способствует увеличению твердости, прочности материала .

Главным отличием закалки от других видов термической обработки является высокая скорость охлаждения с применением специальных закалочных средств ( кипящие жидкости, сжатый воздух, вода, мыльная вода, 10% водный раствор йодного Na, поваренной соли, соды, керосин, 5% раствор марганцовки ). В процессе закалки скорость охлаждения стали в различных закалочных средах приведена в таблице 1.1

Таблица 1.1 - Скорость охлаждения

В процессе закалки возникают нежелательные внутренние напряжения, поэтому используют закалку ступенчатую, используя две среды. В начале быстрое охлаждение в воде, а затем более медленное охлаждение в масле или на воздухе.

В технологии ИМС используют отжиг после ионной имплантации для восстановления кристаллической структуры полупроводника. Так как при ионной бомбардировке большинство внедренных ионов примеси находятся в междоузлии, кристаллическая структура нарушается (структура аморфная) и они не являются электрически активными. В процессе отжига примеси занимают вакантные узлы, кристаллическая решетка восстанавливается и в результате образуется слой p или n-типа проводимости. Также, если слой полностью аморфный в результате ионной имплантации – это по сути эпитаксиальная рекристаллизация аморфизированного слоя, причем роль затравки играет лежащая под ним монокристаллическая пластина. Лучше при этом использовать не термически-диффузионный отжиг, а лазерный отжиг. При лазерном отжиге на поверхности кристалла образуется тонкий сильно разогретый слой, который рекристаллизуется с очень большой скоростью >100см/с, при этом температура Si пластины на глубине 10 мкм не отличается от окружающей, т.е. в целом образец не разогревается.