Спосіб визначення залишкових механічних напружень в багатодолинних напівпровідникових кристалах

СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ЗАЛИШКОВИХ МЕХАНІЧНИХ НАПРУЖЕНЬ В БАГАТОДОЛИННИХ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ КРИСТАЛАХ МКЛ GOl L1/06 01 №3/0 Винахід відноситься до напівпровідникового матеріалознавства і може бути використаний для вимірювання залишкових механічних напружень, що виникають в монокристалах n-Si, n-Ge як при їх вирощуванні, так і в результаті проведення різноманітних технологічних операцій. Існують різноманітні методи визначення залишкових деформацій. Ультразвуковий аналіз залишкових напружень побудований на залежності швидкості розповсюдження хвилі від пружних постійних вищого порядку, залежних від напружень. ( W.Y. Lu, Residual Stress Evaluation by Ultrasonics in an Elastic-Plastic Material, Proc Spring Conf. Soc Exp. Stress Anal, Cleveland, Ohio, 1983, P 77-83 ). Ультразвукові методи дозволяють досліджувати складні напружені стани, композитні матеріали і деталі з криволінійними поверхнями Ці методи також придатні для аналізу трьохмірних і підповерхневих залишкових напружень Проте при проведенні ультразвукових експериментів виникають наступні практичні проблеми' 1. В досліджуваному зразку необхідно генерувати ефективні для вимірів ультразвукові хвилі з наперед заданими характеристиками ( частота коливань, тривалість імпульсу, потужність імпульсу і т.п.), 2 Потрібно вимірювати дуже малі зміни швидкості ультразвукової хвилі; 3 Необхідно відділяти вплив напруження на зміну швидкості ультразвукових хвиль від впливу мікроструктури матеріалу, анізотропії, неоднорідності структури і т.п. Крім того, ультразвукові методи потребують застосування складних електронних приладів з високою роздільною здатністю, а також значних витрат часу Ультразвукові методи дозволяють визначати тільки великі значення залишкових напружень. Рентгенівський метод дозволяє проводити прямі виміри напружень в навантажених деталях ( C O . Ruud and C.P Gazzara, Residual Stress Measurements in Alumina and Silicon Carbide, J. Amer. Ceramic Soc, 68, (1985).) Він широко використовується в практиці для визначення залишкових напружень, обумовлених технологічними процесами термообробки, вуглецювання, дробоструменевої обробки, механічної обробки різанням, а також умовами експлуатації. - 2 Недоліками цього методу є суттєва залежність результатів вимірів від розміру зерен, глибини проникнення променю, точності визначення кута в , анізотропії і текстури матеріалу До того ж, рентгенівський метод є малоточним і придатний тільки, як і ультразвуковий, для визначення достатньо великих залишкових напружень (наприклад, в металах або в вироджених напівпровідниках) Крім того, даний метод є небезпечним для здоров'я людини і потребує застосування дорогого обладнання Найбільш близьким до запропонованого способу визначення залишкових напружень є Спосіб контролю внутрішніх напружень в напівпровідникових кристалах за АС №502282 (СССР) Опубл Бюл №5, 1976 Сутність способу контролю внутрішніх напружень по А С №502282 полягає в тому, що параметри досліджуваного зразка порівнюють з такими ж параметрами контрольного зразка з того ж матеріалу з відомими напруженнями Досліджуваний зразок піддають дії одновісного стиснення вздовж певного кристалографічного напрямку Вимірюють значення питомого електроопору в цьому напрямку в залежності від напруги стиснення і по середній величині зміщення лінійної ділянки, для досліджуваного зразка, відносно лінійної ділянки тієї ж залежності, яка знята для контрольного зразка, судять про відношення напружень в цих зразках Описаний вище і Спосіб контролю внутрішніх напружень в напівпровідникових ц . . . . . кристалах дає можливість контролювати лише зміну внутрішніх механічних напружень, що виникають в результаті певної термічної дії і не може бути використаний для визначення величини залишкових механічних напружень в кристалах, що виникають в процесі їх вирощування і легування різноманітними домішками Фактично за допомогою даного методу не можливо отримати достовірні дані про наявність залишкових механічних напружень Задачею запропонованого винаходу є розробка більш простого, більш точного та більш досконалого, в порівнянні з існуючими аналогами, способу визначення залишкових механічних напружень в кристалах багатодолинних напівпровідників, що виникають в процесі їх вирощування, змін в результаті проведення різного роду технологічних відпалів або в результаті іншого впливу на напівпровідниковий матеріал Вирішення цієї задачі здійснюється шляхом проведення вимірів зміни поздовжнього опору пари зразків орієнтованих в еквівалентних кристалографічних напрямках, визначення різниці зростання опору A/w /ро в області насичення тензоопору, на основі якого вираховується величина залишкових механічних напружень АХ приведенням вказаної різниці до початку - З координат залежностей рх/ро =f(X)> в зв'язку з тим, що залишкові механічні напруження фактично зміщують початкову точку вимірюваних залежностей рх/ро =/(Х). На мал 1. представлена залежність, що дозволяє визначити величину залишкових механічних напружень в напівпровідникових кристалах На основі співставлення даних вимірювання поздовжнього тензорезистивного ефекту в кристалографічно еквівалентних напрямках багатодолинних напівпровідників ( в n-Si ( Х \ \ Ё \ \ [001] і Х\\Ё\\ [100]), в n-Ge (Х\\Ё\\ [Ш] і J?||J?|| [ill]) авторами було встановлено помітну відмінність відношень додаткового збільшення питомого опору в області насичення Арнас /р0 для еквівалентних, але по різному орієнтованих відносно осі вирощування кристалів напрямків. Аналіз отриманих даних з врахуванням фізичних механізмів тензорезистивного ефекту дозволив встановити, що ця відмінність (тобто Ар„ас /ро ) безпосередньо пов'язана з наявністю залишкових деформацій в кристалах, обумовлених умовами їх вирощування (температура вирощування, швидкість вирощування, швидкість охолодження, градієнти температури і т.д ), а також, в значній мірі пов'язаною з цими умовами, нерівномірністю розподілу легуючих та залишкових домішок Таким чином, в порівнянні з прототипом, запропонований спосіб дозволяє визначити абсолютну величину залишкових механічних напружень (деформацій) в кристалах багатодолинних напівпровідників, а прототип дозволяє визначити лише величину зміни напружень в кристалах , яка виникає внаслідок впливу різних термообробок, або інших технологічних операцій, пов'язаних з наявністю підвищених температур (наприклад - дифузія), або механічних навантажень Для кращого розуміння запропонованого способу нижче подано приклад визначення залишкових механічних напружень в кристалах n-Si(P), вирощеного за методом Чохральського ПРИКЛАД Визначення залишкових напружень в кристалах n-Si, легованих фосфором (лє = NP = 4.2 10 см" ) і вирощених по методу Чохральського. 1. Проводяться виміри залежності рх/ро = f(X) в області зміни механічних напружень X, що включає область насичення вказаної залежності При цьому виміри, що проводяться при температурі рідкого азоту (Г=78К), здійснюються для напрямків найбільшої тензочутлнвості Х||Я|| [100] і в напрямку, паралельному напрямку вирощування кристалів (крива 1 на мал 1); - 4 2 Проводяться аналогічні виміри в еквівалентному кристалографічному напрямку X \\Е \\ [001], тобто на зразках, орієнтованих в площині, перпендикулярній напрямку росту кристалу (крива 2 на мал 1)7 3 Визначається різниця значень відношень рнас /ро , одержаних для вказаних орієнтацій поздовжньої осі зразків, використаних для одержання залежностей рх /ро = f(X), яка характеризує величину залишкових напружень в кристалі, 4 В зв'язку з тим, що залишкові механічні напруження в кристалах фактично зміщують початкову точку вимірюваної залежності рх /ро = /(X), отримане значення Ар нас /ро перераховується на початкову ділянку залежностей рх/ро ~/(Ю (початкова ділянка кривих 1 і 2 співпадає (див мал 1)) і по значенню цієї різниці знаходимо значення залишкових механічних напружень в конкретному кристалі n-Si(P) Це значення АХ в приведеному прикладі складає = 320 кг/см Запропонований спосіб визначення залишкових механічних напружень може знайти застосування в Інституті фізики напівпровідників НАН України, Чернівецькому відділенні Інституту проблем матеріалознавства НАН України, а також на підприємствах електронної промисловості для здійснення контролю за якістю напівпровідникових пластин Заявник ксенко ПФ Спосіб визначення залишкових механічних напружень в багатодолинних напівпровідникових кристалах X Ар о Ар 8 X, 103 кгсм-2 нас ФІГ. 1 Автори: СІ. Будзуляк Л.А. Демчина Ю.П. Доценко В.М. Єрма ков В.В. Коло моєць