Способ определения механических напряжений в твердых телах Советский патент 1993 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к области физических методов испытания и может быть использовано Для контроля качестватонкопленочн ых материалов (гетероструктур.

Целью изобретения является расширение области применения путем обеспечения измерения в гетероструктурах.

На фиг.1 представлены распределения элементов в исследованных гетероэпитак- сиальных структурах; на фиг.2 - профили параметров элементарных ячеек в исследованных эпитаксиальных гетероструктурах; на фиг.З - температурные зависимости скоростей продольного и поперечного звука в PbSeo.08Teo.92 и РЬо.обТео.эз в интервале И- 100 К; на фиг.4 - профили напряжений несоответствия по толщинам переходных слоев в исследованных гетероструктурах.

Способ осуществляют следующим образом.

Проводят анализ напряжений не: соответствия в эпитаксиэльных гетероструктурах Pbo.8Sno.2Te-PbSeo.oeTeo.92, Pbo.eSno.aTe- Pbo.osTeo.gs, Pbo.saSno.oySe- Pbo,osSeo,95, согласованных по параметру кристаллической решетки (ai 32). Эти объекты представляют интерес, главным образом, потому, что эпитаксиальные слои в них чувствительны к тепловому излучению в диапазоне 8г 14 мкм, а подложки - в диапазоне 3-5 мкм. Такие гетероструктуры. согласованные по параметру элементарной ячейки, могут быть использованы для изготовления приемников ИК-излучения. работающих в двух диапазонах длин волн.

Оценка напряжений в гетероструктурах основывается на определении профилей постоянной решетки в переходных областях методом послойной Оже-спектроскопии и на измерении упругих модулей компонентов структур. Оказалось, что даже в cor ласо

v

fe

00

to

Э

хл ел

ванных по параметру элементарной ячейки гетероструктурах имеют место механические напряжения в переходных слоях, обязанные взаимной диффузии элементов в переходных слоях. Ранее полагали, что в согласованных гетероструктурах механические напряжения пренебрежимо малы.

Подложками для эпитаксии служили монокристаллические пластины РЬ5ео,овТео,92, Pbo.osTeo.gs и PbSo.osSeo.gs.

О высоком качестве полученных гетеро- структур свидетельствует их зеркальный блеск, а также данные по исследованию полуширины кривых качания (30 ).

Анализ распределения элементов.

Анализ состава гетероструктур по толщине проводился методом Оже-электрон- ной спектроскопии. Запись Оже-спектров проводилась после каждого послойного стравливания поверхности структур пучком ионов А с энергией 3 КеУ. Скорость распыления определялась из предварительных экспериментов по, распылению эталонных пленок известной толщины, которая составила для указанных материалов около 130 ангстрем в минуту. Оже-анализ показал линейную зависимость между отношением приведенных интенсивностей 1 сигналов от отдельных элементов, например, отношения Isn/lpb для Pbi-xSnxTe или Pbi-xSnxSe, и концентрацией бинарных компонентов в тройных твердых растворах. Градуировоч- ные характеристики для каждого тройного твердого раствора были получения с помощью измерения эталонных образцов, в которых предварительно методом рентгено- дифрактометрического анализа определялся состав X. Средняя ошибка определения X не превышала мол.%. Распределения элементов в исследованных гетероэпитаксиальных структурах показаны на фиг.1.

Из полученных данных рассчитаны параметры элементарных ячеек в переходящих слоях гетероструктур. В соответствии с законом Вегарда изменение постоянной решетки а по толщине переходного слоя, обязанное взаимодиффузии компонентов, описывается выражениями:

a (d) { Pbi-xSnxTei-zSez} XZasnSe + X (1 - Z)x

X aSnTe + (1 - X)ZapbSe + (1 - X) (1 - Z)3PbTe;

a (d) { Pbi-xSnxTei-zSz } - XZasnSe + X (1 - Z)x x asnTe + (1 - X)Zapb + (1 - X) (1 - Z)apbTe. a (d) { Pbi-xSnxSei-zSz} XZasnSe + X (1 - Z)x x asnTe + (1 - X)Zapbs + (1 - X) (1 - Z)apbse;

Здесь арьте 6,461 А, арьзе 6,126 A, AsnTe 6,327 A, asnSe 6.002 A, asnS 5,788 А, арьз 5,936 A.

Профили параметров элементарных ячеек в исследованных эпитаксиальных гетероструктурах представлены на фиг.2. Наибольший градиент постоянной решетки имеет место в гетеропаре Pbo.eSno.aTe- Pbo.o5Teo.55. что связано, главным образом, с большой разницей в параметрах ячейки сульфида и теллурида свинца (0,525 А).

2. Упругие модули.

Для расчета напряжений, возникающих в переходных слоях гетероструктур, необхо- дима информация об упругих свойствах материалов, образующих эти структуры. В настоящей работе упругие модули исследованных твердых растворов определены из измерений скоростей продольных и попе- речных упругих волн.

Измерения проводились с использованием бесконтактной методики, основанной на электромагнитном возбуждении звука в проводящих средах (10) в температурном интервале 4-100 К, включающем рабочую температуру (кипения жидкого азота Т 77 К) приемников ИК-излучения.

Температурные зависимости скоростей продольноге и поперечного звука в PbSeo.oeTeo.92 и Pbo.osTeo.os в интервале 4- 100 К представлены на фиг.З.

Обращает на себя внимание аномалии упругих свойств PbSo.05Teo.95 при Т 44 К.

Модули упругости d 1 и Сад связаны с изме- ренными в настоящей работе скоростями продольного и поперечного звука соотношениями

Сц pSe2; C44 pSt ,

(2),

гдер - плотность полупроводника.

Значения плотностей твердых растворов определялись путем линейной интерполяции данных по плотностям бинарных соединений. Значения упругих модулей Си и Сад в монокристаллах полупроводниковых твердых растворов при температуре кипения жидкого азота приведены в табл.1. 3. Напряжения несоответствия. Напряжения несоответствия Р(Да) в переходных слоях исследованных гетероструктур могут быть оценены с использованием модели изотропной среды (1):

P(d E(d) Да 55, rVa;- 1 v(d) a

(3)

где Л а I а - a(d) I, а ai аа - постоянные решеток пленки и подложки для согласованных гетероструктур;

Е - модуль Юнга; v- коэффициент Пуассона,

В случае несогласованных структур а 31 + (az - а1) d/b, где b - толщина переходного слоя.

Исследованные твердые растворы кристаллизуются в грзнецентрированную кубическую решетку, характеризующуюся тремя независимыми упругими модулями Си, Ci2 и- См. Модуль Юнга и коэффициент Пуассона для такой решетки можно ввести, полагая коэффициент упругой анизотропии А 2CW(Cn - €12) 1. Основанием для подобной изотропизации кубического кристалла может служить тот факт, что в переходном слое гетероструктуры из-за взаимной диффузии элементов анизотропия упругих свойств уменьшается (пример - сплавы CdHgTe):

Е Ои(3 Си -4 Ом) .

Си - С44

V

Си -2 С44

2 (Си -С44)

(4)

. Значения модуля Юнга E(d) и коэффициента Пуассона v(d) в переходных слоях ге- тероструктур при Т 80 К определялись путем линейной интерполяции упругих данных пленки и подложки.

Профили, напряжений несоответствия по толщинам, переходных слоев в исследо ванных гетероструктурах показаны на рис.4, Полученные зависимости свидетельствуют о том, что основным фактором, влияющим на величину напряжений в гетероструктуре, является градиент постоянной решетки в ее переходном слое, различие упругих свойств исследованных твердых раствордв сравнительно невелики (ср, фиг2 и 4). Наибольших значений напряжения несоответствия достигают в гетероструктуре, выращенной на подложке РЬ5о,обТео.95. Отметим, что понижение температуры может привести к резкому увеличению напряжений в этой гетеропаре из-за наличия сигнетозлектри- ческого фазового перехода при 44 К. Максимальное значение Fmax в гетероструктуре Pbo,93Sno, - Pbo.osSeo.gs равно 3,4 10 Па, в Pbo.eSno.zTe - PbSeo.oeTeo,92 - Юв Па, в Pbo.aSno.2Te - PbSo.osTeo.95 - 4,4 108 Па. Эти напряжения достигаются в переходных слоях гетероструктур на глубинах около 50 А со стороны пленки.

Полученные значения Fmax можно сравнить с характерной величиной предела упругости FO в соединениях типа А4Ве (например, в PbTeF0 5 107 Па). Следовательно, даже в гетероструктурах, согласованных по параметру элементарной ячейки взаимная диффузия элементов и различие упругих модулей компонентов структуры может приводить к неупругой деформации 5 переходного слоя и х генерации сетки дислокаций несоответствия.

В данных гетероструктурах механические напряжения при термоциклмровзнии (термические напряжения), как это следует 0 из температурных зависимостей коэффициентов теплового расширения бинарных соединений А4Вб и температурного хода упругих модулей на два порядка меньше напряжений несоответствия, и ими можно

5 пренебречь.

4. Прогнозирование деградационной стойкости.

Предложенный метод расчета механических напряжений, возникающих в пере0 ходныхслояхзпитаксиальных гетероструктур базируется на определении распределения элементов в переходных слоях гетероструктур с использованием Оже-электронного анализа, вычислении градиентов постоян5 ной решетки и измерении упругих модулей компонентов структуры. Важным элементом анализа качества и деградационной стойкости гетероструктур является сопо- ставление максимальных напряжений, воз0 никающих в гетероструктуре с пределом текучести материалов, составляющих данную структуру. В случае превышения дацно- го порога механических напряжений генерация дислокаций приведет к деграда5 ции рабочих параме ров гетероструктуры.

Вывод: Утверждается, что даже в согла- совэнных по параметру элементарной ячейки эпитаксиальных гетероструктурах из-за взаимной диффузии компонентов в пере0 ходных слоях могут возникать напряжения, превышающие предел упругости в этих материалах.

Для получения гетероструктур с минимальными внутренними напряжениями, по5 мимо согласования компонентов по параметру решетки а, необходимо согласовывать их также по упругим параметрам и оптимизировать профили распределения элементов в переходном слое Согласова0 ние упругих свойств подложки и эпитакси- ального слоя может быть достигнуто путем легирования подложки (П), а распределение элементов по толщине переходного слоя оптимизировано выбором режима синтеза, ро5 ста и термообработки.

Предложенный способ позволяет получить значения механических напряжений, возникающих в переходной области подложка - пленка и путем сравнения с пределом текучести материалов оценить

качество гетероструктур и прогнозировать их устойчивость к деградации.

Формула изобретения Способ определения механических напряжений в твердых телах, заключающийся в том, что в материале тела возбуждают ультразвуковые колебания, измеряют параметры прошедших колебаний и по ним судят о механических напряжениях, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем обеспечения измерения в гетероструктурах, измеряют скорости распространения продольных и поперечных колебаний в компонентах гетерострутур и рассчитывают модуль Юнга и коэффициент Пуансона, измеряют распределение элементарного химического состава по толщине гетероструктуры и в переходном слое методом Оже-спектроскопии, определяют постоянные а решеток компонентов гетероструктур, а механическое напряжение F(d) рассчитывают по формулам

Ffd E(d) Да Ч0- 1 -v(d) а

«

где Да I a-a(d) I, а ai аа - постоянные решеток пленки (а2) и подложки (а1) для согласованных гетероструктур; Е - модуль Юнга; V- коэффициент Пуассона; или а - at +(аа - ai)d/b, где b - толщина переходного слоя - для несогласованных гетероструктур.

Изобретение относится к физическим методам испытания и может быть использовано для контроля качества тонкопленочных материалов и гетероструктур. Цель изобретения - расширение области применения путем обеспечения измерения в гетерострук- турах - достигается за счет того, что измеряют скорости распространения продольных и поперечных колебаний в компонентах гетероструктур и рассчитывают модуль Юнга и коэффициент Пуассона, измеряют распределение элементарного химического состава по толщине гетероструктуры и в переходном слое методом Оже-электронной спектроскопии определяют постоянные а решеток компонентов гетероструктур. а механическое напряжение F(d) рассчитывают по формулам. 4 ил.

Упругие модули Си и С44, модуль Юнга Е и соотношение Пуассона v для А4В6 соединений

Irarb.un G6

С А - C.2 О

14

J,arb,un.

3s op7Se .foogogs

Pb 5л

/УIl-r -i

..« 11

13 15 Фиг.4

17

-JH- 30

18

30 d,

-i

..«

-JH- 30

а,А 6.44

I о о & 0 од ° с&

А

А ,д

А Д

А

А

О100200300 dfA

а,-А 6.11

Ч-+4

f

t

t ++

++ + +

О 100200300 d,A

ft/

г э

Jt.ro sm-s

х

V

0.920

О

25

50 75 ЮОТ,К 5

5г,Ю sm-s

-4.06

О

25 50 75 10ОТ,К ,

Vc/i Л

гГ

PbSnTe-PbTeS Д

PbSnTe - PbSeTe Ы

200 d.10- °m FbSnSe-PbSSef+

-

2°0400 d.10 re(

m

Фиг. 4