Осаждения меди на дислокациях в кремнии

Осаждения, образованные диффундирующей в кристаллы кремния медью, были изучены оптическим методом с использованием электронно-оптического преобразователя инфракрасного света. Линейные образования были отождествлены с дислокациями путем корреляции с ямками травления. Дислокации в кристаллах непосредственно после вытягивания обычно криволинейны. Дислокационные петли, образующиеся в процессе пластической деформации, состоят из участков, составленных прямолинейными дислокациями, и чисто винтовых участков; все они лежат в направлениях <110>. Осаждения часто не обнаруживаются на винтовых дислокациях; когда же они присутствуют. То отличаются в деталях своего строения от осаждений на дислокациях, составленных из прямолинейных участков. Было обнаружено взаимодействие между соседними дислокациями. Ямки травления, связанные с дислокациями, состоящими из прямолинейных участков, илис винтовыми дислокациями, одинаковы по форме, что указывает на то, что ямки, образующиеся при травлении кристаллов описанным в работе методом непосредственно после вытягивания, совершенно одинаковы для всех типов дислокаций. При деформации кристалла со сравнительно небольшим числом дислокаций, образовавшихся при его росте, дислокационные петли начинаются с поверхности. В менее совершенных кристаллах наблюдаются дислокационные петли, образующиеся полностью внутри кристалла. Форма этих петель соответствует действию механизма Франка — Рида.

Осаждения, образованные медью, диффундирующей в кремний, были изучены с помощью микроскопа, снабженного электроннооптическим преобразователем инфракрасного света. Быстрая диффузия и уменьшающаяся с температурой (ниже 1200°) растворимость приводят к появлению осаждений при охлаждении до комнатной температуры. Наблюдались разные формы осаждений. Эта статья является предварительным сообщением, в котором описываются осаждения, имеющие, по-видимому, связь с дислокациями внутри кристаллов кремния.

Исследования были проведены на кристаллах непосредственно после выращивания и на пластически деформированных кристаллах. Все образцы были вырезаны из монокристаллов, выращенных по методу Чохральского в кварцевых тиглях. Образцы были оставлены на ночь в травящем растворе, состоящем из 1 части HF, 3 частей HNO3 и 10 частей ледяной уксусной кислоты. Часто применялось более медленное травление, для чего к травителю добавлялось большее (примерно на 20%) количество уксусной кислоты. При травлении тем или другим методом выявлялись ямки травления диаметром до нескольких сот микрон, простирающиеся примерно на такое же расстояние в глубь кристалла. Глубокие ямки травления образовывались на любой поверхности независимо от их кристаллографической ориентировки.

После травления небольшой кусочек металлической меди или небольшая капля раствора Cu(NO3)2 помещалась на образцы, после чего производился нагрев в течение примерно 1 часа в атмосфере водорода в кварцевой трубе при 900°. Концентрация меди составляла примерно 10в-7—10в-6 атомных долей. После диффузионного отжига кварцевая труба с образцами извлекалась из печи и охлаждалась до комнатной температуры в течение нескольких минут. Образцы затем полировались с двух сторон, и эти полированные поверхности исследовались, как показано схематически на фиг. 1. Фотографии осаждений были выполнены на пластинках Кодак типа Z, чувствительных к инфракрасному свету.

На фиг. 2 приведена фотография, полученная в проходящем свете с кристалла непосредственно после вытягивания и диффузионного насыщения медью. Образец был вырезан из кристалла, выращенного в направлении [110]. В нем было обнаружено пример но 1000 ямок травления на 1 см2. Линии осаждений лежат в основном в направлении оси роста. Все ямки связаны с линиями осаждений, хотя это и не совсем ясно видно на приведенной фотографии, так как некоторые ямки и связанные с ними осаждения были частично удалены при полировке. Корреляция ямок травления и осаждений указывает на то, что последние очерчивают дислокационные линии в кристалле. Длина дислокационных линий в кристалле, приведенном на фиг. 2, составляет примерно 1,5 мм. Было найдено, что подобные же обычно криволинейные линии простираются по части или по всей длине 10-сантиметрового кристалла. Ямки травления обнаруживаются там, где дислокации пересекаются с поверхностью кристалла. Обратное не всегда верно. Некоторые ямки травления с характерным спиральным строением не связаны с дислокациями.

Этот метод позволяет получить интересные данные в пластически деформированных кристаллах. Для этой серии исследований образцы были или изогнуты между вогнутой и выпуклой кварцевыми плитами, или деформированы кручением при помощи кварцевых зажимов на концах образца. Температура деформации была равна примерно 1000°. Деформация осуществлялась на воздухе. После травления и последующего диффузионного введения меди из деформированных прутков были вырезаны пластины толщиной около 1 мм и отполированы для наблюдений вдоль направления <111>.

Типичная фотография ряда ямок травления и распределения осаждений показана на фиг. 3. Пары ямок травления соединяются петлями осаждений, которые состоят из прямолинейных участков, простирающихся в направлениях <110>. Из фиг. 3 можно сделать и другие заключения: дислокации начинаются с поверхности; петля в ранней стадии ее развития видна в центре ряда, видно взаимодействие между соседними дислокациями; петли несимметричны; осаждения по обе стороны петель отличаются в деталях своего строения.

Фиг. 4 относится к образцу, в котором произошло скольжение в направлении [110], показанном стрелкой. В правой части фотографии несколько глубоких ямок травления с осями симметрии в направлении скольжения не связаны непосредственно с линиями осаждений. Однако проекция каждой ямки травления пересекает конец линии осаждений, ориентированной в другом направлении <110>. Поэтому можно сделать вывод, что ямки связаны с винтовыми дислокациями <110>, на которых медь не осаждается. Отсюда следует, что кристалл вблизи винтовой дислокации травится в значительной мере так же, как и вблизи дислокации любого другого типа, и поэтому глубокие ямки травления (см., например, фиг. 2), найденные в кристаллах непосредственно после выращивания, имеют, вероятно, одинаковую форму для всех типов дислокаций.

Большинство исследованных пластически деформированных образцов было вырезано из кристаллов, которые первоначально имели плотность ямок травления около 100 см-2. В таких совершенных кристаллах все обнаруженные дислокационные петли были вблизи поверхности. В одном очень незначительно скрученном образце имелось приблизительно 15 серий петель дислокации, которые начинались с поверхности, и ни одной петли, которую можно было бы отнести к источникам внутри массы кристалла. Во всех изученных деформированных образцах было найдено, что участки дислокационных петель следуют преимущественно вдоль направления <110>. Образование краевых дислокаций в процессе скольжения, по-видимому, значительно менее выгодно, чем дислокаций, состоящих из прямолинейных участков <110>.

Исследование менее совершенных образцов показывает, однако, наличие объемных источников дислокаций очевидно типа Франка-Рида. Структура, вытекающая из действия этого механизма, представляет собою серию почти концентрических дислокационных петель в плоскости скольжения и дислокацию с порогами, которая входит в плоскость петель в точке около центра и оставляет ее в другой точке, вблизи центра петель. Наблюдалось несколько серий дислокационных петель, которые соответствуют описанной выше картине. На фиг. 5 показана одна из лучших серий петель, наблюдавшихся до написания настоящей статьи. Видны четыре из шести сторон приблизительно концентрических гексагональных петель; невидимые параллельные друг другу стороны, возможно, являются чисто винтовыми дислокациями в соответствии с теми наблюдениями, которые были получены на изогнутом образце (CM. фиг. 4). Видно, как дислокация с порогами пересекает плоскость петель вблизи центра. Имеется и второй сегмент этой дислокации, уходящий из плоскости петель; но этот сегмент отчетливо не виден. Петли на фиг. 3 имеют сходство в общей форме с петлями, приведенными на фиг. 5, но первые имеют осаждения на участках, соответствующих невидимым винтовым участкам петель, приведенным на фиг. 5.

На всех фотографиях можно видеть «тонкую структуру» осаждений. а также рассеянные точечные осаждения. Изучение процесса распада твердого раствора представляет большой интерес сам по себе и будет рассмотрен позднее.