Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы роста кристаллов. Ч.1. Учебное пособие
.pdf
31
Поверхностные дефекты включают в себя главным образом границы
зерен (рис. 14). На границах кристаллическая решетка сильно искажена. В
них скапливаются перемещающиеся изнутри зерен дислокации.
Из практики известно, что мелкозернистый металл прочнее
крупнозернистого. Так как у последнего меньше суммарная протяженность
(площадь) границ. То можно сделать вывод, что поверхностные дефекты
способствуют повышению прочности металла. Поэтому создано несколько
технологических способов получения мелкозернистых сплавов.
Рис. 14. Структура границы двух соседних кристаллических зерен
2.4. Объемные дефекты
Объемные дефекты (макродефекты) кристаллической решетки
включают трещины и поры. Наличие данных дефектов, уменьшая плотность
металла, снижает его прочность.
Рис.15. Макродефекты в кристалле: поры, газовые пузыри.
32
Кроме того, трещины являются сильными концентраторами напряжений, в
десятки и более раз повышающими напряжения создаваемые в металле
рабочими нагрузками. Последнее обстоятельство наиболее существенно
влияет на прочность металла.
2.5. Влияние дефектов кристаллических материалов на свойства
Перечисленные выше дефекты: точечные, дислокационные,
двойниковые и другие, – играют существенную роль в формировании не
только механических свойств кристаллов (прочность, пластичность,
хрупкость), но и оказывают влияние на оптические, электрические и
магнитные свойства.
Влияние дефектов на основные электрические и магнитные свойства
обусловлено наличием некоторых зарядовых состояний самих дефектов,
либо искажением дефектами регулярного распределения электрических
зарядов кристаллической решетки. Все это приводит к изменению,
например, такой характеристики, как электропроводность.
Так к искажению зарядового состояния может привести
возникновение вакансии (удаление положительного или отрицательного
иона), появление междоузельного атома или атома замещения с другой
валентностью. Перераспределение зарядов вызывают и дислокации,
деформируя кристалл.
При двойниковании, если расстояния между соседними атомами
изменяются (когда углы двойникования имеют большие значения),
возникают электростатические силы отталкивания, тоже приводящие к
деформации решетки и изменению ее зарядового состояния.
В полупроводниках наличие примеси формирует так называемую
примесную проводимость, при которой образуются дополнительные
энергетические уровни.
33
Наиболее сильно наличие дефектов влияет на электрические свойства
в ионных кристаллах. В металлах же искажения в распределении зарядов
частично нивелируются из-за экранирования, возникающего в результате
перераспределения в объеме свободных электронов проводимости.
В заключение можно отметить, что влияние дефектов на
электрофизические свойства кристаллических материалов весьма
разнообразно и для своего объяснения требует, как правило, привлечения
квантовых представлений.
2.6. Методы управления структурой и свойствами материалов
После получения кристаллов или их механической обработки
давлением, резанием в них возникают механические напряжения, а
кристаллическая структура и микроструктура материала, как правило, не
равновесны. Комбинацией механической деформации и термической
обработки материала можно формировать в ней требуемую микроструктуру
и, соответственно, свойства.
Отжиг кристаллов
Кристаллы, выращенные из расплава, особенно при высоких
температурах, как правило, подвергаются последующему отжигу —
температурному воздействию при соответствующих условиях. В процессе
отжига происходит перераспределение некоторых частиц основного
вещества, дислокаций, примесных атомов и вакансий. В результате такого
упорядочения вызванные большими скоростями роста кристалла
напряжения частично или полностью снимаются.
Механические напряжения 1 рода (объемные) возникают в случае,
когда внешние факторы (механические, термические, химические) поразному воздействуют на разные части твердого тела. Механические
напряжения 2 рода (ориентированные) возникают вследствие локальной
неоднородности деформации или фазового превращения в кристалле.
34
Механические напряжения 3 рода возникают внутри зерен кристалла в
результате перераспределения дислокаций при деформации, в результате
дисперсионного твердения, выделения новых фаз внутри зерна.
Напряжения 1, 2 и 3-го рода в материале обычно снимают отжигом.
нагревом до определенной температуры, а сам процесс снятия напряжений
называется отжигом.
Температура отжига определяется экспериментально, при этом она
всегда остается ниже температуры образования кристалла. В идеальном
случае любой процесс отжига должен идти при такой низкой температуре,
чтобы обеспечивалась незначительная равновесная концентрация дефектов
(межузельных атомов и вакансий), в противном случае подвижные примеси
внедрения успеют диффундировать из кристалла. И все же температура
отжига должна быть достаточно высокой для диффузии дефектов из
кристалла.
Переход от температуры кристаллизации к температуре отжига
можно осуществить двумя способами. Кристаллы охлаждают быстро до
комнатной температуры, затем постепенно нагревают до температуры
отжига. Быстрое охлаждение ведет к замораживанию примесей внедрения и
вакансий, вследствие чего они рекомбинируют при повышении
температуры до температуры отжига. Вторым способом кристаллы
охлаждаются медленно от температуры образования до комнатной, а затем
постепенно нагреваются до температуры отжига. При отсутствии закалки и
постепенном охлаждении до температуры отжига весьма подвижные
примеси внедрения успеют диффундировать из кристалла. Эти два процесса
различаются еще и тем, что в способе с быстрым охлаждением при
последующем приближении к температуре отжига наружные области
кристалла горячее, чем внутренние.
35
При втором способе наблюдается обратная картина. Отжигом в парах
одного из компонентов можно обеспечить стехиометрический состав
кристалла или максимально к нему приблизить.
Возврат
Данным термином называют все изменения, происходящие в
материале, за исключением тех, которые связаны с движением границ зерен.
После механической обработки механические напряжения в
материале подразделяют на 3 типа: напряжения I рода, II рода и III рода.
Характерный размер области напряжений I рода много больше размера
зерен, и они возникают обычно после кристаллизации расплава.
Характерный размер области напряжений II рода порядка размера зерен и
они возникают, как правило при фазовых превращениях. Характерный
размер области напряжений III рода много меньше размера зерен, и они
возникают под действием деформации в результате сдвига дислокаций, а
также при выделении 2-й фазы внутри зерен. Механические напряжения в
материале снимают обычно отжигом. Причем необходимая температура
отжига различна для напряжений I, II, III рода.
Динамику снятия напряжений обычно контролируют, измеряя какоелибо структурно чувствительное свойство – твердость, удельное
электросопротивление.
Рекристаллизация
После механической деформации кристалла, при его нагреве, может
начаться движение границ зерен, которое подразделяют на 2 типа
процессов: первичная рекристаллизация и вторичная рекристаллизация.
При первичной рекристаллизации в материале образуются зародыши
кристаллов, либо новой фазы, либо той же фазы, но ориентированной подругому. Образовавшиеся кристаллы начинают примерно синхронно
увеличиваться в размерах, пока не заполнят весь кристалл. Процесс
36
описывают так называемыми процессами рекристаллизации, характерными
для каждого материала, но имеющими общий вид. При малых и больших
степенях деформации, при любых температурах процессы
рекристаллизации проявляются слабо. Интенсивно они проходят при
степенях деформации 10-20%, при малой деформации с ростом средний
размер образующихся зерен растет, т.е. выбирая степень деформации и
температуру последующего отжига по диаграмме рекристаллизации можно
сформировать требуемый размер зерна материала.
Вторичная рекристаллизация
После окончания первичной рекристаллизации состав материала
метастабилен, он имеет повышенную энергию из-за границ зерен. Поэтому
при дальнейшей выдержке при повышенной температуре начинается
вторичная или собирательная рекристаллизация. При этом зерна большего
размера увеличиваются, поглощая зерна меньшего размера. Скорость
вторичной рекристаллизации уменьшается при значительной сегрегации
примесей по границам зерен, а также при сильной разориентации
кристаллографических плоскостей зерен. Процесс вторичной
рекристаллизации на практике используют для получения
монокристаллических проволок и фольг при этом исходные материалы
должны быть высокой степени чистоты.
Закалка и старение
Закалкой называют перевод материала в метастабильное состояние
путем нагрева его до температуры выше температуры фазового перехода
для данного состава материала и быстрого охлаждения
При длительной выдержке закаленного материала при комнатной
температуре он будет стремиться перейти в равновесное состояние. Этот
процесс называется естественным старением материала. Однако скорость
его достаточно низкая. Поэтому для придания материалу нужных свойств
37
проводят искусственное старение, выдерживая мат-л при температуре
существенно выше комнатной но ниже температуры рекристаллизации.
Фазовый состав материала, подвергнутого старению, механические и
физические свойства материала зависят в основном от 3-х параметров:
температуры закалки, температуры искусственного старения. Управляя
этими параметрами, а также, привлекая процессы рекристаллизации можно
в широких пределах управлять свойствами материала. Комбинация
механической деформации и термообработки материала называется
термомеханической обработкой материала.
Контрольные вопросы к главе 2
1. Классификация структурных дефектов
2. Точечные (нульмерные) дефекты
3. Краевые и винтовые дислокации
4. Причины образования дислокаций.
5. Методы выявления дислокаций.
6. Методы травления дислокаций
7. Поверхностные дефекты
8. Объемные дефекты
9. Влияние дефектов на свойства
10. Рекристаллизация
11. Методы управления структурой и свойствами: отжиг кристаллов
12. Методы управления структурой и свойствами: возврат
13. Методы управления структурой и свойствами: закалка и старение
38
3. ЛЕГИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Абсолютно чистых веществ не существует. Монокристаллы, даже
выращенные из расплавов «особо чистых веществ», содержат различные
посторонние атомы. Наличие примесей сильно влияет на многие свойства
вещества. Вводя те или иные примеси, можно сообщать кристаллам
необходимые свойства, например, оптические, когда поглощение света
кристаллом и люминесценция происходят в определенных, заранее
заданных участках спектра. Поэтому закономерности распределения
примеси между расплавом и растущим из него монокристаллом, изменение
концентрации примеси по длине и диаметру кристалла в зависимости от
условий роста имеют значение для свойств получаемых кристаллических
материалов.
Леги
рование - дозированное введение в материал примесей или
структурных дефектов с целью изменения его физических свойств
(электрических, магнитных, оптических, механических и др.). Наиболее
распространено примесное легирование полупроводников. Электрические
свойства легированных полупроводников зависят от природы и
концентрации вводимых примесей. Для получения полупроводников
с электронной проводимостью (n-типа) с изменяющейся в широких
пределах концентрацией электронов проводимости обычно используют
донорные примеси, образующие энергетические уровни в запрещённой зоне
вблизи дна зоны проводимости. Для получения полупроводников
с дырочной проводимостью (p-типа) вводятся акцепторные примеси,
образующие уровни в запрещённой зоне вблизи потолка валентной зоны.
Атомы таких примесей при комнатной температуре (300 К) практически
полностью ионизованы (энергия ионизации ⩽ 0,05 эВ), так что их
концентрация определяет концентрацию основных носителей заряда.
39
Одним из современных методов модификации полупроводников
является контролируемое введение в полупроводник радиационных
дефектов с помощью пучков протонов и альфа-частиц. Легирование
полупроводников радиационными дефектами, образующимися при
облучении легкими ионами, открывает новые возможности для управления
свойствами полупроводниковых материалов и создания на их основе новых
устройств опто-, микро- и наноэлектроники; эти устройства выгодно
отличаются от устройств, получаемых традиционными методами
легирования: диффузией, эпитаксией, ионной имплантацией.
3.1 Коэффициенты распределения примесей
Взаимодействие растущего кристалла с примесями сопровождается
рядом явлений: изменением скорости роста, захватом примесей,
образованием дефектов в кристаллах (внутренних напряжений, дислокаций,
микро- и макровключений и т. д.).
Для оценки эффективности очистки веществ от примесей
кристаллизацией из расплава служит коэффициент распределения K,
представляющий собой отношение концентрации растворенного вещества в
твердой фазе к его концентрации в жидкой фазе:
LS
CCK
(3)
Значение K может быть больше или меньше 1. Если примесь понижает
температуру плавления вещества, то K < 1, что часто встречается на
практике. В обратном случае, когда примесь повышает температуру
плавления вещества, K > 1. Этот случай в технологии полупроводников
встречается сравнительно редко. Значение K может изменяться в широких
пределах от величины менее 10−6 до величины более 10. Величина K
определяется типом фазовой диаграммы основного компонента и примеси
и зависит от условий кристаллизации (скорости перемещения фронта
кристаллизации, интенсивности перемешивания расплава и т. д.). Величина
K играет большую роль в кристаллизационных способах очистки.
40
Различают равновесный и эффективный коэффициенты
распределения.
3.2 Равновесный коэффициент распределения
С помощью равновесного коэффициента распределения K0
характеризуют эффект распределения компонентов смеси в каждый
момент равновесия между кристаллом и расплавом. Его называют
равновесным именно потому, что он отражает состав фаз на диаграмме
состояния, построенной в близких к равновесию условиях, то есть при
достаточно малых скоростях кристаллизации. В этом случае концентрация
примеси, растворенной в расплаве CL, одинакова во всем объеме расплава,
а ее концентрация в закристаллизовавшейся части CL = K0CS.
Рис. 16. Аппроксимация участка
фазовых диаграмм вблизи точки
плавления основного компонента
отрезками прямых, касательных к
кривым солидуса S и ликвидуса L в
точке плавления основного
компонента TA: а — примесь,
понижающая температуру
плавления; б — примесь,
повышающая температуру
плавления.
Как можно видеть из рис. 16, в пределах прямолинейности L и S линий
K0 не зависит от концентрации и температуры, то есть является постоянной
величиной для данной пары веществ (это следует из подобия
прямоугольных треугольников, построенных на отрезках CS и CL при разных
температурах кристаллизации). Однако при достаточно высоких
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]