книги из ГПНТБ / Лодиз, Р. Рост монокристаллов

обнаружить при помощи соответствующих растворителей или травителей, действующих избирательно на материал. Таким спо­ собом можно сделать видимыми малоугловые межзеренные границы и даже отдельные дислокации. Кроме того, травление часто выявляет дисперсные включения и вторичные фазы.

Границы зерен представляют собой участки, где обычно скапливаются примеси, дислокации и деформации. Примеси и деформированные участки влияют на растворимость и, что еще важнее, на скорость растворения, благодаря чему травитель из­ бирательно воздействует на межзеренные границы. Подобным же образом травление протекает интенсивнее на дислокациях, потому что дислокации окружены деформированными обла­ стями. Некоторые травители характеризуются тем, что их дей­ ствие на вещество не зависит от присутствия примесей или де­ формаций. Они называются полирующими травителями. Ими пользуются для равномерного удаления поверхностных слоев перед исследованием свойств материала. Часто перед полирую­ щим травлением приходится тщательно шлифовать или полиро­ вать поверхности с помощью набора все более тонких абразивов. В некоторых случаях полировка достигается одновременным травлением и механическим истиранием. Такой способ иногда

к химической шлифовке, используя травитель, который без механического истирания обычно действует на образец избира­ тельно.

Выбор последовательности полирующих агентов более сло­ жен, чем кажется на первый взгляд. Конечно, это верно, что по­ верхностные нарушения можно удалить полирующим травителем или некоторыми методами, рассматриваемыми ниже, но экспериментальные трудности значительно меньше, если можно ограничиться механической шлифовкой и полировкой, обеспе­ чив минимальность повреждения. Одна из часто возникающих при шлифовании трудностей состоит в возможности образования слоя Билби [47]. Д а ж е в тех случаях, когда поверхность поли­ руют с легким нажимом и при хорошем охлаждении, на ней есть выступы, испытывающие большую нагрузку. Выделяющейся на таких участках теплоты трения часто хватает для того, чтобы расплавить материал на глубину в несколько атомных слоев. Под действием поверхностного натяжения такой расплавившийся слой размазывается до затвердевания, заглаживая впадины на поверхности с образованием аморфного или поликристалличе­ ского поверхностного слоя. Хрупкий материал способен под дей­ ствием полировки разрушиться или выкрошиться, прежде чем оплавиться, но если полирующий агент плавится раньше кри­ сталла, то он способен расплавиться и растечься по поверхности.

Когда полируемый материал способен окисляться, разлагаться или взаимодействовать с полирующим агентом, то вследствие протекания таких реакций на отдельных горячих участках по­ верхности последняя будет загрязнена продуктами реакции. По­ этому при выборе способа полирования и полирующих агентов нельзя пренебрегать ролью теплоты, выделяющейся при трении. Эти рассуждения показывают, что механическому резанию, ха­ рактерному для металлографического полирования, следует от­ давать предпочтение перед оптическим полированием, которое сопряжено с размазыванием. Методики, используемые для высо­ коклассной полировки стеклянных поверхностей, нельзя слепо переносить на кристаллы. В стеклах образование слоя Билби ча­ сто выгодно, тогда как в случае кристаллов оно, как правило, весьма нежелательно.

Недавние исследования [48, 49] показали, что полировка по крайней мере тугоплавких материалов не обязательно связана с образованием слоя Билби. Так, по механизму Билби полировка путем плавления полируемого материала может быть эффектив­ ной только в том случае, когда температура плавления полиро­ вального порошка выше, чем у полируемого материала. Но, как показывают наблюдения, соотношение таково лишь в случае легкоплавких материалов. Сэмюэльс [50] показал, что на неко­ торых полированных плоскостях, которые выглядят совершенно гладкими в обычном свете, существуют поверхностные царапины, наблюдаемые средствами фазовоконтрастной микроскопии. Та­ ких царапин, вероятно, не должно было бы быть, если бы поли­ ровка происходила по механизму Билби. Рабинович [48, 49] при исследовании материалов на профилометре до полировки и после нее установил, что полировку истиранием нельзя считать обыч­ ным механизмом. Он объясняет полирование как следствие уда­ ления атомов с выступов на поверхности. Эти атомы сильно сме­ щаются в процессе полирования вниз и легко отрываются после снятия нагрузки вследствие упругой отдачи. Вероятно, механиз­ мом Рабиновича объясняется полирование тугоплавких материа­ лов, но по крайней мере для легкоплавких веществ все еще зна­ чительна вероятность действия механизма Билби.

Подготовку поверхностей проводников без их заметного по­ вреждения осуществляют методами электролитического полиро­ вания и электроискровой обработки [51]. Поверхности с мини­ мальными повреждениями можно получать также, разрезая кристаллы нитяной пилой с использованием обычного растворе­ ния и химических реакций.

После того как поверхность соответствующим образом под­ готовлена, кристалл подвергают действию травителя, который так или иначе избирательно воздействует на деформированные участки, области с высоким содержанием примесей или зоны с

плоскости спайности

кие грани могут быть полезны при определении симметрии и ориентации кристалла, обнаружении в кристалле двойников и идентификации грани кристалла.

Задача установления соответствия той или иной ямки трав­ ления отдельной дислокации окончательно не решена. Такое однозначное соответствие полностью продемонстрировано толь­ ко на нескольких веществах для определенных кристаллографи­ ческих плоскостей, протравленных особыми травителями. Рас­ скажем теперь о некоторых применявшихся приемах установ­ ления связи ямок травления с дислокациями.

1. Пластическое деформирование. Гилман и Джонстон [52, 55, 58] с успехом исследовали отдельные дислокационные линии в LiF. После некоторого деформирования образцов они наблю­ дали ямки травления вдоль линий скольжения. После дополни­ тельного деформирования кристалл снова подвергали травле­ нию. Тогда вдоль полосы скольжения *) выявлялись новые ямки травления меньшего размера, в то время как старые ямки про­ травливались дальше, но в них начинало образовываться плос­ кое дно. Отсюда был сделан вывод, что ямки травления, наблю­ давшиеся после первого травления, выявляют отдельные дисло­ кации, которые под действием повторного нагружения мигри­ руют к точкам, в которых они обнаруживаются при вторичном травлении. Развитие плоского дна в первичных ямках при пов-

ляет собой пачку атомных плоскостей, каждая из которых сдвинута по отношению к соседней. В своей совокупности такие смещения создают картину макроскопически наблюдаемого сдвига. Это макроскопическое смещение от­ дельных плоскостей идентично уже упоминавшемуся скольжению.

ямки уже утратили связь с дислокациями. Этим методом Гилман и др. [58] проследили за движением отдельных дислокаций и определили скорость их перемещения в зависимости от прило­ женного напряжения.

Подобные же исследования провел Дорендорф [71] на по­ верхностях германия. В его экспериментах перемещение дисло­ каций вызывалось отжигом деформированного образца.

2. Подсчет ямок травления вдоль малоугловой межзеренной границы. Как уже отмечалось, малоугловую наклонную границу, подобную показанной на фиг. 1.10, можно рассматривать как ряд параллельных краевых дислокаций одного знака. Расстоя­ ние между дислокациями D связано с углом поворота Э одной части кристалла относительно другой и вектором Бюргерса уравнением

расположение дислокаций удовлетворяет этому условию, то та­ кие ямки, вероятно, связаны с дислокациями. Среднее расстоя­ ние между ямками измеряют под микроскопом, угол поворота определяют путем рентгеновского исследования, а модуль век­ тора Бюргерса вычисляют из кристаллографических соотноше­

травителем СР-4 (см. табл. 1.1), сопряжены с дислокациями. Д1одуль вектора Бюргерса оценивали при этом следующим обра­ зом: поскольку, как было показано, малоугловая граница ( ~ 1 ' ) представляет собой чисто наклонную границу, краевые дислока­ ции должны располагаться в ней параллельно оси наклона. Та­

достигает минимума, когда дислокации располагаются в плос­ кости, перпендикулярной векторам Бюргерса. Так как границы

границы кручения уравнение (1.4) также видоизменяется, но ос­ новы расчета остаются неизменными.

3. Плотность дислокаций в пересекающихся границах. На­ клонные границы часто пересекаются в форме буквы Т или L. Если границы относятся к чисто наклонным, то сумма углов наклона 0, встречающихся при движении по контуру вокруг такого пересечения, должна быть равна нулю. Таким образом, плотность дислокаций в ответвлениях пересекающихся границ должна выражаться простым соотношением. Например, как по­ казали Пфанн и Ловелл [72], для плоскостей (001) решетки германия соблюдаются следующие соотношения:

показало, что распределение дислокаций удовлетворяет уравне­ ниям (1.5) и (1.6). Подобное согласие эксперимента с теорией служит весьма веским доводом в пользу того, что ямки травле­ ния действительно связаны с дислокациями.

4. Корреляция с другими измерениями. Связь ямок травле­ ния с дислокациями часто устанавливают путем изучения дис­ локаций другими способами. «Карту» распределения дис­ локаций можно получить, как уже говорилось, посредством рентгеновских исследований. Когда локализация дислокаций подтверждается данными изучения ямок травления, это служит доводом в пользу допущения о прямой связи ямок травления с дислокациями. Подобным же образом для изучения совершен­ ства можно воспользоваться данными прямого наблюдения по­

Детально разработан метод оценки совершенства монокри­ сталлов кремния путем травления [74]. Документированы фото­ графиями типичные ямки и особенности травления, обуслов­ ленные дислокациями, малоугловыми и болыпеугловыми гра­ ницами зерен, скольжением, двойниками, поликристаллической природой материала. Описаны в деталях травители, порядок их приготовления, процесс травления и способы обработки ре­ зультатов.

действие травителя и изменения интенсивности рассеяния рент­ геновских лучей в некоторых системах. Поскольку примеси ча­ сто диффундируют к дислокациям, перед травлением полезно проводить отжиг, ускоряющий такую диффузию. Фактически некоторые травители оказывают свое действие только на кри­ сталлы, содержащие определенные примеси. В случае прямого наблюдения дислокаций методом декорирования примесь вводят в кристалл в процессе роста или посредством диффузии после выращивания. Трудность, связанная с отжигом для ускорения диффузии и растворения, заключается в том, что отжиг может повлиять на совершенство кристалла. Перечень ряда методик декорирования применительно к различным материалам приве­ ден в табл. 1.2. В целях исследования декорированных кристал­ лов веществ, непрозрачных в видимом свете, можно прибегнуть к помощи инфракрасной или электронной микроскопии.

Прямое наблюдение поверхности

Наблюдение поверхности кристалла при небольшом увеличе­ нии или даже невооруженным глазом часто выявляет особенности структуры, обусловленные несовершенствами кристалла. Так, наличие входящих углов «а поверхности кристалла свидетель­ ствует о двойниковании. Как мы увидим в гл. 3, IB процессе роста часто образуются спиральные террасовидные холмики. Геометрия таких поверхностных структур дает сведения о со­ вершенстве кристалла. Например, простые спирали часто свя­ заны с одиночными винтовыми дислокациями, а измерение оп­ ределенных характеристик спирали можно использовать для определения вектора Бюргерса. Детали возможных поверхност­ ных структур рассматриваются в гл. 3. В целях изучения топо­ логии поверхности Толанский [82, 83] с большим успехом при­ бегал к многолучевой интерферометрии.

Электронно-микроскопические наблюдения

Для некоторых веществ с большими межплоскостны'ми рас­ стояниями можно наблюдать индивидуальные плоскости решет­ ки, и даже в материалах с малыми межплоскостными расстоя­ ниями можно видеть дислокации непосредственно на картине, возникающей в электронном микроскопе. Косвенным путем дислокации можно выявлять на картинах муара, когда два тонких слоя материала с близкими межплоскостными расстоя­ ниями накладываются один на другой и исследуются на прохож­ дение,

Обычный способ наблюдения дислокаций в электронном микроскопе основан на неодинаковой дифракции электронного луча в деформированных и недеформированных участках. В принципе можно исследовать совершенство любого мате­ риала, который допускает изготовление без разрушения тонких образцов, прозрачных для электронного луча с энергией около 100 кэВ и не разрушающихся под действием электронов. Для

дут образовываться линии Кикучи [86,87] с шириной, пропорцио­ нальной искривлению кристаллической плоскости. Следователь­ но, картины линий Кикучи полезны при изучении качества кри­ сталлов высокой степени совершенства ' ) .

Автоионно-микроскопические наблюдения

Ионный проектор (автоианный микроскоп) способен разре­

расстояния до экрана к радиусу кривизны острия, можно до­ вести до 10й, что дает разрешение порядка 2 - Ю - 9 м, позволяю­

материалов. Автоионная микроскопия позволяет наблюдать ва­ кансии, междоузлия, примесные атомы и дислокации [88], но ее возможности пока ограничены только исследованиями туго­ плавких металлов3 ).

1.5. ПОЧЕМУ НАС ИНТЕРЕСУЮТ К Р И С Т А Л Л Ы ?

Монокристаллы широко используются в научных исследова­ ниях. Как мы видели, можно считать, что все истинно твердые тела — кристаллы. Поэтому изучение кристаллов образует ос­ нову знаний физики и химии твердого состояния. Для многих исследований можно пользоваться поликристаллическими, а не