Генерация неравновесных точечных дефектов и сопутствующие ей эффекты при физико-химических воздействиях на поверхность кристаллов (06.04.2009)

Автор: Итальянцев Александр Георгиевич

- Всесоюзная конференция по радиационной физике полупроводников и родственных материалов, Ташкент, 1984.

- Международная конференция по импульсным и лучевым воздействиям на материалы - EPM-87, Dresden, GDR, 1987.

- Всесоюзная конференция «Ионно-лучевая модификация материалов», Черноголовка, 1987.

- XII Всесоюзная конференция по микроэлектронике, Тбилиси, 1987.

- Всесоюзная конференция по физико-химическим основам легирования, Москва, 1988.

- Международная конференция по ионно-лучевой модификации материалов - IBMM-88, Japan, 1988.

- Международная конференция по ионной имплантации и ионно-лучевому оборудова-нию - Ion implantation and ion beam equipment (I3BE), Elenita, Bulgaria, 1990.

- Международная конференция по прикладным вопросам металлизации в схемах со сверхвысокой степенью интеграции - Metallization in ULSI Application, Murray Hill, NJ USA, 1991.

- Международная конференция по компьютерным приложениям в области материаловедения - CAMCE-92, Yokogava, Japan, 1992.

- Международный симпозиум Общества Исследователей Материалов, MRS-87, MRS-90, MRS-92 Strasbourg, France, 1987, 1990, 1992.

- 5 Международная конференция по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностике кремния, нанолегированных структур и приборов на его основе «Кремний – 2008», Черноголовка, 2008.

- Одиннадцатая научно-прикладная конференция «Кремний 2008» -11th Scientific and Business Conference “Silicon 2008”, Чехия, 2008.

Вклад автора в результаты работы.

Теоретическая часть работы, результаты которой составляют основу положений, выносимых на защиту, все расчеты параметров генерации ТД и характеристик ТФР, иллюстрирующие возможности развитых модельных представлений, автором выполнены самостоятельно и опубликованы в нескольких работах без соавторов. Во всех экспериментальных исследованиях автор принимал непосредственное участие в постановочной части эксперимента, в обсуждении и вычислительной обработке их результатов. Инструментальная часть экспериментов, связанная с использованием специализированных аналитических методов экспериментальных исследований, выполнена коллегами и соавторами автора диссертации по научным публикациям.

Структура работы. Работа включает оглавление, введение, заключение и 9 глав описания исследований, которые условно можно разбить на два раздела. Первый раздел (1-4 главы) посвящен вопросам генерации ТД в условиях протекания ТФР на поверхности кристалла и сопутствующим ей процессам в объеме кристаллической решетки. Во втором разделе диссертации (5-9 главы) рассмотрены условия образования неравновесных ТД при стимулированном отборе поверхностных атомов и сопутствующие эффекты в объеме кристалла.

Общее количество страниц диссертационной работы - 280, включая 51 рисунок, 22 таблицы. Библиография составляет 158 ссылок.

Краткое содержание диссертационной работы

Первая глава - «Единая модель генерации собственных точечных дефектов при твердофазных реакциях на поверхности моноатомных кристаллов». Под твердофазными реакциями (ТФР) понимают реакции, в которых один из реагентов и продукт химической реакции находятся в твердом состоянии. Второй реагент может быть в любом из четырех агрегатных состояний.

Рассматривается граница раздела А-В, имеющая атомарный контакт между компонентами А и В. Компонент В всегда моноатомный кристалл В (т.е. В ? В). Компонент А – инвариантен. В общем случае он может состоять из атомов или молекул, находиться в газообразном (или в виде плазмы), жидком или твердом агрегатом состоянии в зависимости от типа исходной системы. Кроме того, инвариантность А определяется химией реагента и продуктом реакции, а также стадией формирования слоя новой фазы. Большое количество возможных сочетаний элементов А и В, инвариантность границы раздела А-В даже в пределах одной исходной системы определяет многообразие ТФР и позволяет характеризовать твердофазные реакции как широкий класс физико-химических воздействий на кристалл.

Отправной точкой для разрабатываемой модели генерации неравновесных ТД в кристалле при ТФР на его поверхности является молекулярный дисбаланс объемов, возникающий при встраивании молекулы новой фазы АхВу на границе раздела с кристаллом. Элементарный объем молекулы ?АхВу не равен сумме объемов атомов (или молекул) реагентов, затраченных на построение этой молекулы. По этой причине, при встраивании вновь рожденной молекулы АхВу на границе раздела, возникает дисбаланс ??=?1-?2 между молекулярным объемом ?1=?АхВу и объемом ?2 условной полости для размещения новой молекулы. На величину ?? также может оказывать влияние механизм диффузии реагента через растущий слой новой фазы в зону реакции.

Для ТФР, протекающих на границе раздела с кристаллом, ? часть молекулы АхВу располагается в кристалле, а (1- ?) часть по другую сторону от условной математической границы раздела кристалла с растущим слоем новой фазы. С учетом этого, в работе вводится понятие парциального дисбаланса объемов размещения по обе стороны от границы раздела, т.е. величины ??А, ??В. Значения ??А, ??В могут отличаться друг от друга и даже иметь различный алгебраический знак. Алгебраическая сумма парциальных дисбалансов объемов дает интегральный дисбаланс размещения на границе раздела ?? =??А + ??В.

В качестве первого приближения предполагается, что коэффициент распределения объема молекулы в кристалле ? определяется долей объема атомов кристалла по отношению к объему всех атомов молекулы АхВу, т.е.

?1 ? ?BА1В1/?А1В1= у1?В/(x1?А + у1?В).

Объем молекулы или атома в своей фазе ?=М/(?NA) естественным образом выражен через молярную (атомарную) массу М, удельную плотность ? и число Авогадро NA. С учетом коэффициента распределения объема молекулы новой фазы ?1 для парциальных дисбалансов объемов размещения, возникающих на границе раздела получены выражения

??В = ?А1В1 (y1?B)/(x1?A + y1?B)– у1?В ,

??А = [x1?А?А1В1/(x1?А + у1?В)] - x1?А.

Эти выражения соответствуют ситуации, когда молекула новой фазы образуется в результате реакции из так называемых чистых компонентов x1A+y1B=Ax1By1.

Рис.1 Иллюстрация к возникновению молекулярного дисбаланса для размещения молекулы новой фазы, образованной из чистых компонентов исходной А-В системы.

Для парциальных несоответствий молекулярных объемов при зарождении второй и последующих фаз из промежуточных компонентов в реакции типа Ax1By1 + mB = nAx2By2 получены выражения

??В = ?2?А2В2 - (m?B + ?1?А1В1)/n,

??А = (1- ?2)?А2В2 - (1- ?1)?А1В1/n,

в которых под ?2 следует понимать коэффициент распределения дополнительного размещаемого объема, создаваемого такой реакцией, т.е.

?2? ?BА2В2/?А2В2 =[1+(1-?1)?A1B1 /(?1?A1B1+ m?B) ]-1

Рис.2 Иллюстрация к возникновению молекулярного дисбаланса для размещения молекулы новой фазы, образованной из промежуточных компонентов системы Ax1By1-В.

В результате дисбаланса объемов ?? по обе стороны от границы раздела, вокруг встроенной молекулы новой фазы возникают (Рис.3) поля упругих напряжений ?(r,?). Исключение составляет ситуация начальной стадии формирования слоя новой фазы при взаимодействии кристалла с газовой средой (Рис.3, поз.1). Величина ?(r,?) определяется модулем упругости фазы Е, в которой они возникают, и соответствующими парциальными дисбалансами объемов размещения ??А и ??В .

Рис.3 Локальные поля упругих напряжений вокруг встроенной молекулы новой фазы в открытой (1), полузакрытой (2) и закрытой (3) механических системах в зависимости от стадии формирования слоя новой фазы.

В исходных системах Агаз-Втв для ТФР с преимущественным диффузантом А реакции протекают вначале в «открытой» системе, затем в «полузакрытой», где часть упругих напряжений может релаксировать за счет геометрического искажения поверхности растущей пленки (Рис.3, поз.2), и далее в «закрытой» механической системе, когда на расстояниях порядка толщины слоя новой фазы напряжения значительно спадают (Рис.3, поз.3). С учетом этих рассуждений выбирается область интегрирования поля упругих напряжений ?(r,?) вокруг отдельно взятой молекулы новой фазы по соответствующей области пространства с модулем упругости ЕВ или ЕА и определяется энергия упругих напряжений ?g*el, как

?g*el = ?r?? ?(ЕА,ЕВ,??А,??В,r,?)d?dr.

В рамках развиваемых в работе модельных представлений такой интеграл вычисляется в приближении изотропного континуума (без учета анизотропии кристалла) в пределах одной фазы. Например, в варианте задачи Ламе при интегрировании по полубесконечному пространству с коэффициентом изотропной объемной упругости кристалла КВ=ЕВ/3(1-2?) и коэффициентом Пуассона ? представленный интеграл равен

?g*el=(8/9)KВ·(??В)2/(??В1+?В2),


загрузка...