Физические основы микроэлектроники 2 (стр. 2 из 3)

-3-

Консервативное движение дислокаций определяет макроскопическое скольжение в кристалле. Это самый легкий способ перемещения дислокаций в кристаллах, не обладающих жесткими и направленными связями (металлы, ионные кристаллы). Поэтому эти кристаллы легко деформируются путем скольжения. В кристаллах с ковалентными связями (полупроводники) скольжение затруднено и наблюдается лишь при повышенных температурах. Движение смешанной или краевой дислокации во всех плоскостях, кроме плоскости скольжения, должно быть связано с переносом массы, так как dV≠0. Например, краевая дислокация может двигаться в плоскости, несовпадающей с плоскостью скольжения, только если лишняя полуплоскость укорачивается или удлиняется, данный процесс называется переползанием. Процесс переползания дислокации, т. е. движения краевой дислокации не в плоскости скольжения, т.е не консервативное движение, оно связано с массопереносом или с изменением объема кристалла и возможно лишь при повышенных температурах. Переползание дислокации обусловлено диффузионными процессами движения вакансии или внедренных атомов в объеме материала. Переползание краевой дислокации, сопровождается изменением числа точечных дефектов в кристалле рис.9. ,образованием или исчезновением вакансий и межузельных атомов.

рис.9

Для винтовой дислокации, у которой b||dl выражение (1.8) равно нулю при любом направлении dz, т. е. движение винтовой дислокации всегда консервативно. Иначе говоря, это всегда скольжение, но плоскость скольжения неопределенна; плоскостью скольжения винтовой дислокации может быть любая из плоскостей зоны, осью которой служит линия винтовой дислокации. Диффузионное переползание винтовых дислокаций невозможно.

Движение дислокации обусловлено пластической деформацией кристалла. В свою очередь, причиной деформации являются внешние силы, создающие в кристалле напряжения и вызывающие движение дислокаций.

Плотность дислокации.

Согласно строгому определению, плотность дислокаций — это суммарная протяженность линий дислокаций в единице объема кристалла. Однако с достаточной точностью можно считать, что число линий дислокаций, пересекающих единицу поверхности кристалла, равно плотности дислокаций. Плотность дислокаций — важнейшая техническая характеристика качества кристалла. В кристаллах, выращенных обычными методами кристаллизации из расплава, плотность дислокаций составляет 10⁴ - 10⁶ см^-2. Путем отжига можно понизить эту плотность до 10³ - 10⁴ см^-2. В результате пластической деформации плотность дислокаций быстро возрастает на несколько порядков. Наилучшие полупроводниковые кристаллы, полученные путем выращивания, имеют плотность дислокаций 10² - 10³ см^-2 и даже порядка нескольких единиц на квадратный сантиметр, выращиваются и бездислокационные кристаллы.

Сила, действующая на дислокации.

Если на плоскость скольжения действует сдвиговое напряжение τ, то на единицу длины линии дислокации действует сила

f = τb. (1.9)

Таким образом, в области дислокации имеется локальная концентрация напряжений, тем большая, чем больше вектор Бюргерса дислокации. Представление о дислокациях объясняет особенности пластической деформации кристаллов. Плоскости и направления

-4-

скольжения — это плоскости и направления движения дислокаций. Критическое скалывающее напряжение — это напряжение, которое должна преодолеть дислокация, чтобы прийти в движение. Идеальный кристалл мог бы начать деформироваться только при одновременном разрушении всех связей в какой-либо кристаллографической плоскости. Деформация реального кристалла начинается, когда внешнее напряжение достигает значения, необходимого для начала движения дислокации, т. е. для разрыва одной или немногих атомных связей рядом с дислокацией. Поэтому прочность реальных кристаллов намного меньше, чем теоретическая прочность, вычисляемая в предположении об идеальном, не имеющем дефектов кристалле. Скорость пластической деформации зависит от скорости перемещения единичных дислокаций, от их векторов Бюргерса и плотности дислокаций. Экспериментальные данные показывают, что дислокации могут двигаться с различными скоростями — от 10^-7 до 0,1 см/с в зависимости от материала, приложенного напряжения и температуры. Скорость дислокации в кристалле не может быть больше, чем скорость звука, потому что перемещение дислокации — это и есть перемещение волны упругой деформации.

Энергия дислокации.

Энергия дислокации — это дополнительная энергия, затрачиваемая на искажение решетки при образовании дислокации. Эту энергию рассчитывают как работу, которую нужно затратить против сил связи в решетке, что бы осуществить разрыв и сдвинуть две атомные плоскости в решетке друг относительно друга на вектор Бюргерса b, т. е. ввести дислокацию. Упругая энергия дислокации пропорциональна модулю сдвига кристалла и степени искажения решетки, характеризуемой вектором Бюргерса. Величина этой энергии на единицу длины линии дислокации:

U ≈ Gb2, (1.10)

где G — модуль сдвига, b — модуль вектора Бюргерса. Порядок величины U составляет несколько электрон-вольт на атомную плоскость. Дислокации с наименьшими векторами Бюргерса обладают наименьшей энергией; они наиболее устойчивы механически и наиболее подвижны. Дислокации с большими векторами Бюргерса механически неустойчивы и легко распадаются на дислокации с меньшими векторами Бюргерса.

Размножение и скопление дислокации.

Если бы новые Д. не рождались в кристалле, то пластич. деформация прекратилась бы после выхода на поверхность тела всех подвижных Д. При повышении внешних напряжений интенсивность размножения Д. увеличивается. Объяснение данного процесса впервые было предложено Франком и Ридом. Они рассматривали дислокацию призматического типа, образованной путем сдвига части кристалла от ABC к DEF, причем DEF представляет при этих условиях дислокационную линию. Если сдвиговое напряжение приложено к плоскости скольжения ABED и на части дислокационной линии EF действие силы не проявляется, то данная дислокация рассматривается как неподвижная, или сидячая. Но на дислокацию действует сила и она будет продвигаться вперед. Так как дислокация ED закреплена в точке Е, она будет поворачиваться вокруг этой точки, поскольку приложенное напряжение стремится расширить площадь области, охваченной сдвигом рис.10.

рис.10

-5-

Если на плоскости дислокации имеется препятствие, то дислокации скапливаются у этого барьера рис.11. Последние дислокации оказывают давления на первые, в результате чего расстояние между ближайшими к препятствию дислокациями оказывается значительно меньшим, чем между последними и возникает равновесное распределение.

рис.11

Расщепление дислокации в плотно упакованных структурах.

В рассмотренных выше моделях простой кубической решетки смещение на величину одного вектора Бюргерса соответствует той же конфигурации, что и до смешения. Такая дислокация называется совершенной или полной. Если же движение атомов приводит к новому расположению атомов, то дислокация называется несовершенной, или частичной (Дислокация Шокли). Преобладающий в данном кристалле тип дислокации в какой-то степени определяется его структурой, но существует также энергетический критерий, который нужно учитывать. Полные дислокации, вектор Бюргерса которых больше межатомного расстояния, нестабильны и могут расщепляться на две или более частичных, если в результате этого энергия системы понижается.

Правило Франка гласит, что энергия деформации дислокации пропорциональна квадрату вектора Бюргерса, и если сумма квадратов вектора Бюргерса компонент, на которые распадается дислокация, меньше чем квадрат вектора Бюргерса первоначальной дислокации, то происходит расщепление.

Дислокации Франка и дефекты упаковки.

Частичная дислокация Франка образуется в структуре с порядком расположения плотно упакованных плоскостей типа гранецентрированного куба либо путем удаления части одной из плотно упакованных плоскостей, либо при вставлении лишнего участка такой плоскости. В первом случае образуется отрицательная частичная дислокация Франка рис12, во втором положительная, дислокация Франка которая имеет краевой характер. Дислокации Франка не могут перемещаться по плоскости скольжения.

Отрицательная дислокация Франка при удалении слоя А приводит к возникновению следующего дефекта упаковки: АВСВСА, который называется дефектом вычитания. В случае положительной дислокации добавляется слой В: АВСВАВС - дефект внедрения.

В гранецентрированной кубической решетке атомы расположены в порядке АВСАВСАВС, так что каждый четвертый слой находится в такой же позиции, что и первый. Но из-за наличия дислокации возможно АВСАСАВСА, последовательность САСА отвечает гексагональной структуре, такие изменения расположения атомов называется дефектом упаковки. На рис.13 изображено нормальное расположение атомов, а на рис.14 с дефектом упаковки.

рис.12 рис.13 рис.14

-6-

Дислокации и физические свойства кристаллов.

Д. влияют в первую очередь на механические свойства твёрдых тел, для которых их присутствие часто является определяющим. Д. изменяют оптические свойства кристаллов, на чём основан метод наблюдения изолированных Д. в прозрачных материалах.