Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 10, стр. 1327-1330

ВВЕДЕНИЕ

Использование кремния в качестве конструкционного материала, например, при изготовлении микромашин, сенсоров, микро- и наноэлектро-механических систем и других гибридных продуктов нанотехнологий, диктует необходимость детального исследования изменений его механических свойств, индуцируемых физическими полями природного и техногенного происхождения [1–3]. В процессе жизненного цикла полупроводниковых приборов материал подвергается различного рода механическим воздействиям (резка, шлифовка, полировка и т.д.), температурным, в результате которых, как правило, возрастает плотность дислокаций, что приводит также к изменению основных электрофизических характеристик полупроводниковых кристаллов и приборов на их основе [4]. Идея использования тепловых и электрических полей в управлении пластическими и прочностными свойствами кремния как особо хрупкого материала является весьма перспективной и привлекательной. В связи с этим в данной работе была предпринята попытка выяснить влияние дислокаций, возникающих в процессе пластической деформации сжатием при совместном действии высоких температур и постоянного электрического тока на изменение механических свойств монокристаллического кремния.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследуемые монокристаллы, легированные бором, обладали проводимостью p-типа с удельным сопротивлениям 7 Ом ∙ см. Для сжатия образцы приготовлялись в виде столбиков размерами 17 × 9 × 6 мм, ограниченных плоскостями [111], [110], [112]. Использовалась камера, в которой создавался вакуум p = 1 Па и деформировался образец. Деформация сжатием осуществлялась в вакууме вдоль направления [110] с одновременным нагревом в печи и прохождением постоянного электрического тока через образец, со скоростью нагружения 0.05 МПа ∙ с^–1, при температуре Т = 750°С в течение 30 мин. Плотность тока, проходящего через образец, составляла   j = 50 А ∙ см^–2, а падение напряжения U = 3.5 В. Датчиком для записи величины механического напряжения служил тензодинамометр. Значение величины пластической деформации ε определялось с помощью механического микрометра, который фиксировал значение деформации в процессе сжатия образца кремния с точностью ±1 мкм. Установка по ходу нагружения на образец позволяла в динамическом режиме одновременно записывать значения величины приложенного механического напряжения и величины пластической деформации. Данный метод назван нами комбинированной пластической деформацией (КПД). Прохождение постоянного тока обеспечивает взаимодействие направленного потока заряженных носителей (электроны, дырки) со структурными элементами пластической деформации (дислокациями) [5]. Для сравнения с данным методом деформирования образцы сжимались также и в условиях только внешнего нагрева в печи сопротивления. Данный метод деформирования назван горячей пластической деформацией (ГПД). Поскольку дефектно-примесный состав оказывает существенное влияние на механические свойства кремния [6–9], то в данной работе после выявления преимуществ КПД перед ГПД целью дополнительного исследования являлось выяснение влияния дислокаций, вводимых КПД, на микротвердость кремния. Микротвердость H измерялась на приборе ПМТ-3 с алмазной пирамидкой. Нагрузки на индентор составляли от 50 до 200 г. Измерения микротвердости во всех случаях проводились 5–10 раз по всей поверхности образца, и результаты усреднялись. Микрохрупкость материала оценивали по пятибальной шкале согласно методике [10]. При этом использовались статистические методы обработки результатов измерений. Каждому наносимому отпечатку присваивался свой балл хрупкости, который определялся по условной шкале, учитывающей число трещин у отпечатка и характер их развития. Средний балл хрупкости Z_p исследуемого материала рассчитывали по формуле Z_p= $null$ где n_i – относительное количество отпечатков, имеющих балл хрупкости i = (0, 1, 2, 3, 4, 5).

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

На рис. 1 приведена зависимость механического напряжения σ от степени пластической деформации ε. Данная диаграмма получена в динамическом режиме деформирования. В ранней работе [11] были изучены кривые сжатия, полученные при исследовании различно ориентированных монокристаллов кремния. Испытания проводились в условиях ГПД, при температурах от 20 до 900°С. Метод ГПД, использованный в данной работе, показал, что при равных с КПД величинах температуры и давления для кремния практически невозможно добиться заметной величины пластической деформации (рис. 1). Кроме того, метод комбинированной пластической деформации, в отличие от традиционного метода горячей пластической деформации, позволяет понижать температуру деформирования (до 0.5Т_пл), стартовые напряжения, верхний предел текучести и повышать общую величину пластичности (рис. 1). Из сравнения приведенных на рис. 1 кривых видно, что при достижении степени деформации ε = 0.2% приложенное механическое напряжение у КПД оказывается почти в 2 раза меньше, чем у ГПД. Для обоих методов, в случае равенства приложенного механического напряжения, равного 30 МПа, достигнутая величина степени пластического деформирования в условиях КПД превысила величину степени пластического деформирования в условиях с ГПД почти в 5 раз (рис. 1).

Рис. 1.

Кривые сжатия монокристаллов кремния при различных методах деформирования и температуре 750°С: 1 – ГПД, 2 – КПД.

На рис. 2 представлены зависимости микротвердости исследованных образцов от нагрузки на индентор. Зависимости на рис. 2 показывают, что КПД приводит к снижению микротвердости кремния, существенным образом изменяя значения H образцов во всем диапазоне значений степеней деформации при наибольших нагрузках. При малых (50 г) нагрузках микротвердость уменьшалась на 20–35%, а при больших (200 г) ее изменения уже составляли 35–45%. Таким образом, КПД приводит к снижению поверхностного упрочнения, но значения микротвердости для всех значений степеней деформации (0.3–1.9%) при наибольшей нагрузке (200 г) постепенно выравниваются. Наименьшая величина H наблюдается при наибольшей величине степени деформации (1.9%) во всем диапазоне нагрузок (кривая 4). Наибольшей микротвердостью при тех же нагрузках из всех деформированных образцов обладали монокристаллы кремния с деформацией ε = 1.2% (кривая 2).

Рис. 2.

Зависимость микротвердости H от нагрузки P для недеформированных (1) и деформированных на 1.2 (2); 0.3 (3) и 1.9% (4) образцов кремния.

При увеличении нагрузки увеличивалась и микрохрупкость всех исследованных образцов. Кремний со степенью деформации 1.9% обладает несколько большей микрохрупкостью по сравнению с деформированным кремнием на 1.2 и 0.3% при нагрузках 100 г (см. табл. 1). При самых больших нагрузках (200 г) различия исчезают. Доля разрушенных отпечатков при 200 г в образце со степенью деформации 1.9% достигала максимального значения по сравнению с другими образцами. Наибольшая микротвердость, наблюдаемая в кремнии со степенью деформации 1.2% при нагрузках 50 г, обусловлена дислокациями. Генерируемые в таком образце дислокации с определенной плотностью, взаимодействуя на начальном этапе друг с другом и с примесными атомами бора, повышают прочность кристалла.

Рисунок 3 демонстрирует дислокационные структуры образцов монокристаллов кремния, полученные в условиях влияния различных методов деформирования. В условиях КПД в результате одновременного скольжения по различным системам кристаллографических плоскостей происходит пересечение краевых и винтовых дислокаций с другими дислокациями, что приводит к образованию вакансий и их скоплений. В результате уменьшения плотности дислокаций уменьшается и микротвердость кристаллов. С ростом степени деформации вакансии, соединяясь друг с другом, могут аннигилировать или адсорбироваться на дислокациях противоположных знаков в плоскости скольжения. Недосыщение вакансиями может являться причиной переползания дислокаций, которые при таком процессе становятся геликоидальными [12].

Рис. 3.

Дислокационные структуры образцов монокристаллов кремния, полученные в условиях влияния различных методов деформирования (а, б, в, г,  – сканирующая электронная микроскопия; а', б', в', г', – оптическая металлография): а, а' – недеформированный образец; КПД (б, б' – степень деформации ε = 0.3%; в, в' – степень деформации ε = 1.2%; г, г' – степень деформации ε = 1.9%).

Атомы примеси бора при деформации равной 0.3% (рис. 3б, 3б') могут захватываться вакансиями, что приводит, по всей вероятности, к уменьшению их числа по сравнению с деформацией кремния на 1.2%. В случае деформации, равной 1.2%, в кристалле кремния одновременно идет интенсивное скольжение и пересечение различных типов дислокаций, приводящее к возникновению вакансий, и захватывание ими примесей атомов бора, приводящее к частичному их исчезновению. При такой концентрации вакансий дислокации переползают и становятся геликоидальными, как и при деформации 0.3%. (рис. 3б, 3б  '), но плотность таких дислокаций значительно выше (рис. 3в, 3в'). Переползание дислокаций, по всей вероятности, является причиной уменьшения микротвердости обоих образцов по сравнению с недеформированным образцом (рис. 3а, 3а'). Еще при более высоких деформациях 1.9% значительный рост вакансий за счет увеличения числа плоскостей скольжения дислокаций приводит к тому, что вакансии помимо захвата примесных атомов, соединяясь друг с другом, начинают адсорбироваться на поверхностях и на дислокациях (рис. 3г, 3г'). Приток вакансий вызывает переползание дислокаций, которое происходит, как правило, перпендикулярно плоскости ее скольжения [13]. Этот факт также можно связать с еще большим снижением микротвердости кремния. В сравнительном плане генерируемые при КПД дислокации имеют более упорядоченную и однородно ориентируемую структуру, в отличие от структур, получаемых в условиях ГПД (рис. 4).

Рис. 4.

Дислокационные структуры образцов монокристаллов кремния, полученные в условиях влияния различных методов деформирования: а – ГПД; б – КПД.

Таким образом, метод КПД, в отличие от метода ГПД при равных величинах температуры и давления, вносит наибольший вклад в увеличение пластичности кремния. Показано, что с ростом степени КПД снижается микротвердость монокристаллов кремния. Эффект разупрочнения монокристаллов кремния, подвергнутых КПД, вероятнее всего, обусловлен увеличением подвижности дислокаций.