Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2022, № 2, стр. 38-44

ВВЕДЕНИЕ

Межзеренные границы (МЗГ) в мультикремнии оказывают существенное влияние на его электрофизические характеристики. В зависимости от особенностей внутреннего строения они способны аккумулировать дефекты и, следовательно, проявлять различную степень рекомбинационной активности [1]. Установлено, что наиболее высокую рекомбинационную активность проявляют высокоугловые границы со случайным углом (так называемые общие границы, ОТ), малоугловые границы и, в меньшей степени, границы с решеткой совпадающих узлов (специальные границы, СГ) в соответствии с их значением ∑ (величина, обратная плотности совпадающих узлов) [3–5]. В растровом электронном микроскопе (Tescan Mira 3 LMH) можно наблюдать МЗГ на изображении полированной поверхности мультикристаллического кремния благодаря контрасту каналирования обратно-рассеянных электронов [6, 7]. Контраст каналирования обусловлен количеством отраженных и, соответственно, поступивших на детектор электронов, которое напрямую зависит от плотности атомных слоев в области взаимодействия падающего пучка электронов с различно ориентированными участками поверхности поликристаллического образца. Основанный на данном эффекте метод ECCI (electron channeling contrast imaging) наряду с методом дифракции обратно-рассеянных электронов (ДОРЭ) активно используется для анализа структуры поликристаллических материалов [8–10]. В частности, метод ECCI успешно применяли для идентификации границ двойникования ∑3 в деформированной стали, при этом авторам удалось определить двойниковые границы второго порядка, образованные вследствие деформации. Однако, для идентификации границ двойникования и дислокационных кластеров, как правило, используют морфологические характеристики границ на контрастных изображениях РЭМ, сопоставляя их с данными ДОРЭ [11]. Непосредственно значения контраста для определения кристаллографических параметров разноориентированных зерен используют значительно реже и только для интерпретации дислокаций и двойниковых границ на изображениях просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) [12, 13]. Однако, результаты РЭМ-исследований биструктур SiC при низких значениях энергии электронов (менее 1 кэВ), когда ориентационный вклад в контраст изображения предполагался максимальным, указывают на корреляцию яркости изображения с ориентацией слоя SiC относительно другого слоя SiC [14].

В настоящей работе обсуждается зависимость значений контраста структуры полированной поверхности мультикристаллического кремния на изображениях РЭМ от кристаллографических параметров контрастирующих зерен. Целью работы является идентификация наклонных СГ, имеющих решетку совпадающих узлов по контрасту образующих их зерен, на изображениях РЭМ.

МЕТОДИКА

Образцы мультикремния, выращенные методом направленной кристаллизации Бриджмена, были вырезаны параллельно оси роста из разных слитков. Поверхности образцов полировали алмазными пастами для получения контрастных изображений РЭМ в обратно-рассеянных электронах при ускоряющем напряжении 20.0 кВ (Tescan Mira 3, Jeol JXA 8200) и анализа параметров разориентации методом ДОРЭ (OXFORD INSTRUMENTS, модель JEOL JIB-Z4500). Для выявления фигур травления на исследуемой поверхности образцов применяли ориентационно-чувствительный анизотропный травитель КОН (10%) [15]. Обработанную в травителе поверхность исследовали методом РЭМ (Qwanta FEI). Значения контраста на изображениях РЭМ (файлы формата bmp) полированных образцов мультикристаллического кремния определяли в программе GIMP 2.10.22 (GNU Image Manipulation Program), измеряя значения яркости серого цвета в областях с одинаковой площадью (11 × 11 пикселей) по обе стороны от СГ (рис. 1). Полученные значения усреднялись, контраст рассчитывали по формуле Майкельсона:

Рис. 1.

Результаты измерений интенсивности изображения РЭМ: в зерне одно усредненное значение С₁ = = 57.1, в зерне 2 С₂ = 73.9.

Параметры МЗГ определяли по данным EBSD.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Полированные поверхности образцов мультикристаллического кремния (63Н, 64Н, 65Н, 71Н и 79Н) были исследованы методами ДОРЭ и РЭМ таким образом, чтобы области с известными по данным ДОРЭ параметрами разориентации совпадали с их контрастными изображениями РЭМ (рис. 2). Благодаря контрасту на изображениях РЭМ (рис. 2в) четко видны отдельные зерна и МЗГ всех типов (рис. 2а). Формы и границы зерен на контрастных изображениях РЭМ совпадают с данными ДОРЭ для одной и той же области поверхности образца (рис. 2а, 2б). Причем интенсивность контраста меняется от зерна к зерну, что обуславливается различиями пространственных ориентаций кристаллических решеток в этих зернах. Это хорошо согласуется с процессом отражения обратно-рассеянных электронов при сканировании поверхности вблизи МЗГ. Так, в каждой точке сканирования пучок электронов отклоняется на угол, пропорциональный углу наклона элементарной ячейки относительно плоскости поверхности. В соответствии с этим на детектор поступает определенное количество обратно-рассеянных электронов, что в свою очередь, пропорционально яркости серого цвета данной точки сканирования на изображении РЭМ. Следовательно, яркость изображения множества точек сканирования, относящихся к одному монокристаллическому зерну, будет одинаковой для всей области зерна. Однако в области границы двух соседних зерен (1 и 2) с различными индексами Миллера (h₁k₁l₁ и h₂k₂l₂), характеризующими (по данным ДОРЭ) положение элементарной ячейки относительно нормали к поверхности исследования, угол отклонения пучка обратно рассеянных электронов меняется, что выражается в виде контраста на изображении РЭМ. Следует отметить, что наиболее контрастными областями являются границы зерен. Так как в области инженерии дефектов именно они имеют важное значение при анализе свойств материала, целесообразно применить эффект контраста на изображениях РЭМ для идентификации границ зерен “in situ” непосредственно в процессе исследования поверхности мультикристаллического кремния методом растровой электронной микроскопии. В зависимости от тепловых и скоростных режимов кристаллизации плотность границ зерен на единицу площади поверхности может существенно изменяться от слитка к слитку. Кроме того, при решении подавляющего числа задач немаловажным является определение типов границ, поскольку их свойства напрямую зависят от того, являются ли они границами со случайным углом разориентации (ОГ) или границами с решеткой совпадающих узлов (СГ). Учитывая соотношение типов границ в мультикристаллическом кремнии (исключением является высокопроизводительный мультикристаллический кремний), доля СГ существенно превышает долю ОГ. Согласно анализу количества межзеренных границ различных типов в исследуемых образцах по данным ДОРЭ (карты СГ), доля ОГ не превышает 30% от СГ, в то время как доля СГ составляет более 50% от всех границ (табл. 1). В данной работе проведен анализ изображений РЭМ границ специального типа. В отличие от ОГ, они имеют строго упорядоченную структуру, представляющую собой плоскость “сшивки” двух кристаллических решеток соседних зерен с периодически совпадающими атомами. При этом период (или количество атомов между общими, совпадающими из обеих решеток границами) отображается в обозначении ∑ границы. Так, в плоскости ∑3 границы каждый третий атом является общим для двух соседних решеток. Ввиду особенностей строения СГ, они реализуемы только определенными сочетаниями взаимных ориентировок с соответствующим набором возможных для того или иного типа СГ индексов hkl соседних зерен. Каждому типу СГ в кубической гранецентрированной решетке соответствуют такие параметры, как угол разориентации между плоскостями соседних зерен, ось вращения и плоскость залегания [16]. Исходя из сказанного выше, можно предположить, что значения контраста, соответствующие границам с одинаковыми параметрами, будут сопоставимы друг с другом. Однако не столько параметры самих границ вносят вклад в формирование контраста, сколько ориентации образующих их зерен относительно плоскости исследуемой поверхности. Именно они обуславливают разницу углов отклонения пучка обратно-рассеянных электронов от точек сканирования, относящихся к различным зернам и, следовательно, контраст изображения РЭМ. Пространственную ориентацию элементарной ячейки в зерне относительно нормали к плоскости поверхности характеризуют углы Эйлера (ψ₁, ψ, ψ₂). Карты разориентации зерен ДОРЭ (рис. 2а) были использованы для выбора границ таким образом, чтобы можно было также сопоставить значения контраста в областях с одинаковыми (в рамках поверхности одного образца) или максимально близкими (для разных образцов) значениями углов Эйлера. Для образца 64Н были выбраны границы между зернами 9/10, 7/6 и 7/8, и значения контраста для них сравнивали не только между собой, но и с подобными границами, образованными зернами с близкими углами Эйлера в других образцах. Так, для ∑3, ∑9 и ∑27а СГ с одинаковыми параметрами в пяти исследуемых образцах мультикремния были измерены значения контраста (табл. 2).

Рис. 2.

Изображение фрагмента поверхности образца мультикремния 64Н: а – ДОРЭ-карта c различно ориентированными зернами (*) и межзеренными границами (**), б – контрастное РЭМ-изображение в обратно-рассеянных электронах.

Согласно экспериментальным данным, приведенным в табл. 2, контраст на изображениях РЭМ определенно зависит от параметров разориентации соседних зерен. Так, зерна с близкими значениями углов Эйлера образуют однотипные границы, которые характеризуются аналогичными значениями контраста. Например, границы ∑3 в разных образцах (в образце 65Н и 64Н) между зернами 2/3 и 7/8 соответственно, с одинаковыми индексами Миллера имеют схожие значения контраста (0.097674 и 0.093567). Все значения контраста в областях ∑3 границ варьируются в пределах значений 0.09–0.2. Для ∑9 границ характерен контраст ≈0.4. В случае с границей ∑27а, когда значения контраста в образцах 65Н и 71Н не совпадают, имеет значение разновидность самой границы: в образце 71Н граница наклонного типа имеет угол разориентации θ, равный 35.340°, и ось вращения (110), а в образце 65Н она смешанного типа (наклона и кручения, рис. 3в). Все остальные исследованные в данной работе границы являются границами наклона, что хорошо видно на изображениях РЭМ травленых в КОН поверхностях исследованных образцов (рис. 3а, 3б). Из этого следует, что зависимость контраста от типа границы может быть применена только к СГ наклонного типа.

Рис. 3.

Изображения РЭМ-границ зерен и соответствующие им параметры разориентации ячеек образующих их зерен на травленых поверхностях образцов: а – 65Н, б – 64Н, в – 65Н.

Малое значение контраста для границы ∑27а в образце 65Н можно объяснить двумя составляющими истинного угла разориентации между кристаллическими решетками зерен 1 и 2: наклоном и кручением. Следовательно, угол наклона относительно нормали к поверхности исследования может быть слишком мал для формирования выраженного контраста, что делает идентификацию типа границы по контрасту изображения РЭМ невозможной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Контраст на изображениях РЭМ полированных поверхностей выявляет зеренно-граничную структуру мультикристаллического кремния. Обратно-рассеянные электроны чувствительны к углу наклона элементарной ячейки относительно нормали к поверхности исследования, и их количество, поступившее на детектор, пропорционально интенсивности цвета на изображении РЭМ. Применение данного механизма позволяет использовать значения контраста для идентификации границ с решеткой совпадающих узлов наклонного типа. Так, каждому типу специальных границ (∑3, ∑9, ∑27a и т.д.) соответствует определенное значение контраста изображения РЭМ. Данный способ является перспективным для применения его в качестве метода быстрого анализа структуры мультикристаллического кремния при исследовании его методом растровой электронной микроскопии в режиме обратно-рассеянных электронов.