Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы роста кристаллов. Ч.1. Учебное пособие
.pdf
21
исчезающе малой. Иными словами, если бы дислокации относились к числу
дефектов, находящихся в тепловом равновесии с решеткой, - реальные
кристаллы были бы практически полностью лишены дислокаций. Между
тем в реальных кристаллах плотность дислокаций редко составляет менее
10 см-2 (в металлических кристаллах - 106-108 см-2, в ионных - 104 -108 см-2,
в кристаллах соединений с ковалентной связью - несколько меньше).
Дислокация – это линейное несовершенство, образующее внутри
кристалла границу зоны сдвига.
На рис. 6 показан кристалл, верхняя часть которого относительно
нижней сдвинулась вдоль плоскости скольжения СDFE влево на одно
межатомное расстояние.
Рис. 6. Сдвиг части кристалла на межатомное расстояние
Рис. 7. Краевая дислокация
Область несовершенства кристаллической решетки вокруг линии АВ,
отделяющей часть плоскости скольжения АВDС, где сдвиг уже прошел, от
22
части ABFE, еще не охваченной скольжением, называется краевой
дислокацией.
Относительное смещение частей кристалла имеет определенную
величину и направление, т.е. является вектором, который характеризует
образованную дислокацию и называется вектором сдвига или вектором
Бюргерса b (рис. 6).
Если вектор сдвига равен постоянной решетки, то дислокацию
называют единичной. Такая дислокация, проходя через весь кристалл,
приводит к относительному смещению его частей на величину b. Вектор
Бюргерса краевой дислокации направлен перпендикулярно ее линии.
На рис. 7 показано образование краевой дислокации при введении в
кубическую кристаллическую решетку дополнительной плоскости,
называемой экстраплоскостью, которая расклинивает решетку, вызывая ее
искажение. Дислокации принято обозначать значком .
Изображенная на рис. 7 «лишняя» атомная плоскость ОМ, является
экстраплоскостью, а точка О, где она обрывается, представляет собой центр
дислокации. Атомный ряд 1, проходящий через точку О, содержит на один
атом больше, чем атомный ряд 2, расположенный ниже. Поэтому
расстояние между атомами ряда 1 у центра дислокации О меньше
нормального, вследствие чего решетка здесь сжата; расстояние же между
атомами ряда 2 у точки О больше нормального, вследствие чего решетка
здесь растянута. По мере перемещения от центра дислокации вправо и
влево, вверх и вниз искажение решетки постепенно уменьшается и на
некотором расстоянии от О в кристалле восстанавливается нормальное
расположение атомов. В направлении, перпендикулярном плоскости
рисунка, дислокация проходит через весь кристалл, выходя на его
поверхность.
Если в кристалле произвести незавершенный сдвиг в направлении
вектора Бюргерса b, ориентированного вдоль линии АВ (рис. 8а), то вокруг
23
последней возникает область несовершенства решетки, называемая
винтовой дислокацией. Название связано с расположением атомов вокруг
АВ по винтовой линии (рис. 8б).
Рис. 8. Сдвиг плоскости || вектору Бюргерса (а), винтовая дислокация (б)
В общем случае дислокация может иметь одновременно краевые и
винтовые компоненты, тогда ее называют смешанной дислокацией.
Скольжение дислокаций приводит к пластической деформации
кристаллов. Их наличие позволяет объяснить различие между
теоретической и наблюдаемой реально прочностью.
По теории в бездефектном кристалле для относительного смещения
его частей на одно межатомное расстояние необходимо одновременно
разорвать все связи между соседними атомами смещаемых частей. В
реальном же кристалле при последовательном перемещении дислокаций
вдоль плоскости скольжения связи разрываются поочередно, что
значительно снижает уровень касательных напряжений, необходимых для
деформации.
Дислокации в кристаллических материалах могут быть
ответственными и за начало разрушения. Существуют выдвинутые
теоретически и подтвержденные многочисленными экспериментами
дислокационные механизмы разрушения, основанные на факте накопления
внутренних напряжений на различного рода скоплениях дислокаций и их
24
взаимодействиях между собой. Наличие расклинивающей решетку
экстраплоскости приводит к образованию микропоры, являющейся
зародышем разрушения.
Выход дислокаций на поверхность кристалла можно установить
методом травления. При травлении поверхности кристалла специальными
химическими составами в первую очередь протравливаются участки, в
которых решетка искажена наиболее сильно, так как атомы этих участков
обладают избыточной свободной энергией и химически более активны.
Такими участками как раз являются места выхода дислокаций на
поверхность, которые после травления выявляются в виде ямок травления.
Травление — группа технологических приёмов для управляемого удаления
поверхностного слоя материала с заготовки под действием специально
подбираемых химических реактивов. Составы химических селективных
травителей приведены во многих работах по выявлению дислокационных
ямок травления, существуют справочники с рецептами травителей для
различных плоскостей полупроводниковых и диэлектрических кристаллов.
Ряд способов травления предусматривает активацию травящих реагентов
посредством других физических явлений, например, наложением внешнего
электрического поля (электрохимическое травление), ионизацией атомов и
молекул реагентов (ионно-плазменное травление) и т.п.
За количественную характеристику числа дислокаций принимают
плотность дислокаций, равную числу дислокационных линий,
пересекающих единичную площадку поверхности кристалла. Плотность
дислокаций на единицу поверхности кристаллов, выращенных в
высокостабильных условиях, имеют порядок 102-106 см-2. В среднем
дислокации в кристаллах отстоят друг от друга на 104 межатомных
расстояний. Хотя дислокации в кристаллах могут образовываться при
различных воздействиях, в основном дислокации образуются на этапе
25
выращивания монокристаллов из расплава. Ниже перечислены основные
причины, вызывающие появление дислокаций в растущем кристалле.
1) Прорастание дислокаций из затравки в растущий кристалл
Те дислокации затравочного кристалла, которые пересекают границу
раздела кристалл-расплав, будут проникать в растущий кристалл. Это
объясняется тем, что дислокации могут оканчиваться только на свободной
поверхности кристалла или на дислокациях с другой ориентацией.
Если бы не образовывались новые дислокации, плотность дислокаций
уменьшалась бы по мере увеличения длины кристалла, так как дислокации,
не параллельные направлению роста, в конце концов оканчиваются на
поверхности кристалла. Кроме того, часть дислокаций,
распространяющихся в направлении роста, также исчезнет благодаря
взаимной аннигиляции дислокаций противоположных знаков. Таким
образом, из расплава в принципе можно вырастить бездислокационные
кристаллы, если помешать образованию новых дислокаций во время и после
роста. Обычно в кристаллах, выращенных методом Чохральского,
плотность дислокаций выше в осевой части кристалла, куда они переходят
из затравки, и у краев, где сказывается влияние искривленной поверхности
(рис. 9). К числу дефектов, переходящих из затравки в кристалл, можно
отнести также генерацию дислокаций на поврежденных участках
поверхности затравки.
Рис. 9. Схема расположения дислокаций в кристалле, выращенном
методом Чохральского
26
2) Образование дислокаций под воздействием термических или внешних
механических напряжений
Поскольку при неоднородном распределении температуры соседние
участки кристалла расширяются неодинаково, в решетке должны
возникнуть нарушения однородности. Для сохранения непрерывности
кристалла необходима дополнительная деформация, в результате которой
достигается совмещение соседних, претерпевших различное расширение
участков кристалла. Эта дополнительная (сверх обычного теплового
расширения) деформация называется «тепловой деформацией».
Если тепловая деформация очень мала, она может быть целиком
упругой, т.е. не вызовет остаточных смещений атомов. За пределами
некоторой критической величины, которая зависит от природы кристалла и
температуры, тепловая деформация уже не является упругой и приводит к
пластическому течению с образованием новых дислокаций. Появление
дислокаций в результате термических напряжений вызывается как осевым,
так и радиальным градиентами температуры в зависимости от конкретной
ситуации. Поскольку пластическая деформация происходит из-за
неоднородности теплового расширения кристалла, обратный процесс будет
иметь место, когда кристалл окажется в области с однородным
распределением температуры, например, при комнатной температуре. При
этом вновь произойдет пластическая деформация и число дислокаций
увеличится. Однако увеличение числа дислокаций при комнатной
температуре будет меньшим, чем при повышенных температурах, так как
напряжение, необходимое для генерации дислокаций, увеличивается с
уменьшением температуры (особенно это относится к кристаллам кремния
и германия, которые не деформируются пластически при температурах
ниже 900° и 400°С, соответственно). Поэтому в кристаллах германия и
кремния, выращенных методом Чохральского, плотность дислокаций
увеличивается при увеличении температурного градиента в кристалле.
27
Быстрое охлаждение кристалла, когда кристалл выводится из контакта с
расплавом и помещается, в более холодную часть установки, может
привести к увеличению плотности дислокаций примерно на 2 порядка.
Природа и прочность связей сильно сказываются на образовании
дислокации. Так, в металлах размножение дислокаций под действием
термических напряжений происходит значительно легче, чем в кристаллах
полупроводников - германия и кремния, у которых энергия образования
дислокаций намного больше, а подвижность дислокаций меньше. В
металлах напряжения, вызывающие пластическое течение, обычно много
ниже, чем в таких хрупких материалах, как германий и кремний. Поэтому в
металлах плотность дислокаций выше, чем в германии и кремнии.
3) Образование дислокаций в результате захвата примесей
Локальный захват растущим кристаллом повышенного количества
примесей вызывает изменение параметров решетки, тем большее, чем
больше различие атомных радиусов примеси и растворителя. В результате
возникают напряжения, которые, достигнув достаточной величины,
снимаются благодаря образованию дислокаций. Наличие примеси может
вызвать концентрационное переохлаждение, в результате которого
образуется ячеистая субструктура. Границы ячеек представляют собой ряды
дислокаций (рис. 9).
Рис. 10. Образование дислокаций при концентрационном переохлаждении.
28
Постепенное обогащение растущего кристалла примесями
сопровождается постепенным увеличением плотности дислокаций.
Образование ячеистой субструктуры сопровождается резким повышением
плотности дислокаций. Это вызывает появление дислокаций при самых,
казалось бы, благоприятных условиях роста.
Врастание в кристалл микровключений посторонних фаз так же
вызывает образование множества дислокаций.
4) Образование дислокаций в результате распада скоплений вакансий.
При выращивании из расплава в кристалле существует
температурный градиент. На контакте с расплавом кристалл имеет
температуру, близкую к температуре плавления. По мере удаления от
фронта кристаллизации температура кристалла понижается; температурный
градиент обычно параллелен направлению роста.
Равновесная концентрация вакансий в кристалле экспоненциально
зависит от температуры и поэтому достигает максимума близ фронта
кристаллизации (рис. 11). По мере охлаждения количество вакансий в
кристалле все больше отклоняется от равновесного значения.
Рис. 11. Зависимость равновесной концентрации вакансий от температуры
Некоторое количество вакансий (зависящее от градиента температуры
в кристалле и скорости роста) будет исчезать на поверхности, кристалла и
29
на фронте кристаллизации (вакансии диффундируют обратно к поверхности
раздела кристалл-расплав и там участвуют в равновесной концентрации).
Часть вакансий поглощается переползающими дислокациями. При
отсутствии дислокаций вакансии могут образовывать мельчайшие гроздья.
Атомы примесей оседают на гроздьях вакансий.
2.3. Плоскостные дефекты. Механическое двойникование
Пластическая деформация кристаллических материалов может
осуществляться и посредством механического (деформационного)
двойникования. Данное явление заключается в образовании под действием
механических нагрузок двойниковых прослоек, внутри которых материал
расположен симметрично материалу основного кристалла (матрице)
относительно некоторой плоскости (плоскости двойникования).
На рис. 12 представлен процесс развития одиночной двойниковой
прослойки. В недеформированном кристалле показано положение
плоскости двойникования аа (рис. 12, а). Если в ней в процессе деформации
появляются касательные напряжения, то внутри кристалла возникает
прослойка двойника (рис. 12, б) с некогерентными границами (не
параллельными плоскости двойникования). На поверхности кристалла
образуется характерная ступенька. При дальнейшем нагружении двойник
прорастает до противоположной поверхности, тоже образуя на ней
ступеньку (рис. 12, с). Границы двойника становятся когерентными.
Рис. 12. Процесс развития одиночной двойниковой прослойки
30
По современным представлениям процесс двойникования
осуществляется последовательными пробегами так называемых
двойникуюших дислокаций в плоскостях, параллельных плоскости
двойникования с послойным переводом в симметричное состояние
материала матрицы (рис. 13 а). Если двойник при этом оканчивается внутри
кристалла, то двойникующие дислокации останавливаются каждая в своей
плоскости на некогерентных границах.
а б
Рис. 13. Двойникующие дислокации (а),
область когерентной двойниковой прослойки (б).
На рис. 13б приводится область когерентной двойниковой прослойки
между границами аа и bb. Слева от границы аа и справа от bb располагается
материал матрицы. Решетки двойника и матрицы симметричны
относительно плоскостей двойникования. Все показанные области лежат в
одной плоскости.
Кроме двойников, образующихся в кристаллических материалах под
действием внешних механических нагрузок, существуют двойники,
возникающие в процессе роста кристаллов, быстрого теплового расширения
или сжатия. Множественные двойниковые образования называют
полисинтетическими двойниками.
Следует отметить, что двойниковые границы в кристаллах относятся
к поверхностным дефектам так же, как и границы зерен, межфазные
границы и т.д., которые зачастую моделируются определенным
расположением дислокаций.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]