Oxygen in Silicon Single Crystals

Метод введенного давлением дихроизма линии ИК-поглощения межузельного
кислорода
Метод введенного давлением дихро-
изма [40] линии ИК-поглощения межу-
зельного кислорода, в основном приме-
няется для определения коэффициента
диффузии кислорода в области низких
температур (Т < 400°С), где его подвиж-
ность является достаточно малой и опре-
делить ее другими методами практически
невозможно. С помощью этого метода
впервые установлено, что кислород в
кристалле кремния занимает межузель-
ное положение, а ось изогнутой квазимо-
лекулы Si-О-Si ориентирована вдоль кри-
сталлографического направления {111}
(рис. 8). В условиях термодинамического
равновесия в недеформированном кри-
сталле Si все четыре направления {111}
Рис. 8. Структурная модель квазимолекуы Si-0-Si;
атом кислорода находится в межузельном поло-
жении, прерывая нормальную связь Si-Si, которая
направлена вдоль {111} [40]





27




являются энергетически эквивалентными и в каждом из этих нап-
равлений находится равное число атомов кислорода. При одноосном
давлении направления {111} становятся неэквивалентными по энергии
(исключение составляет лишь давление вдоль направления {100}, для
которого все направления {111} являются энергетически эквивалент-
ными). Тогда при нагревании кристалла (Т = 300 - 500°C), когда атомы
кислорода начинают мигрировать, заселенность различных направле-
ний {111} станет неодинаковой, отражая больцмановский фактор, свя-
занный с различием по энергиям между неэквивалентными направле-
ниями. На этом свойстве пространственной переориентации атомов
кислорода и основан данный метод.
Для создания неравновесной заселенности направлений {111} ато-
мами кислорода к кристаллу прикладывают одноосное давление
(величиной до 3 -10⁸ Па) вдоль одного из направлений {111} или {110}.
Затем кристалл нагревают до Т = 400 - 500°С (скорость нагрева не яв-
ляется существенной), выдерживают при этой температуре в течение
некоторого времени (от 5 до 60 мин) для создания неравновесной за-
селенности направлений {111} и охлаждают под давлением до комнат-
ной температуры. После этого давление снимают и проводят измере-
ния. Измерив с помощью поляризованного ИК-света коэффициенты
поглощения межузельного кислорода (на частоте v = 1106 см^-1 или v =
= 515 см^-1) вначале параллельно (a_N), а затем перпендикулярно (aj оси
давления, определяют величину относительного дихроизма (осх-а^/осх.
Следует подчеркнуть, что скорость охлаждения оказывает существен-
ное влияние на эффект дихроизма. Самая большая величина (ax-a_N)/ax
достигается при скорости закалки порядка 1000°С/ч [41].
На рис. 9 представлены типичные спектры поглощения межузель-
ного кислорода для образца кремния, подвергнутого отжигу при
Т = 400 °С в течение 30 мин под давлением X = 2.7 • 10⁸ Па вдоль на-
правления {111}. Далее, проводя последовательный изотермический
отжиг при исследуемой температуре и измеряя после каждого отжига
коэффициенты поглощения а_м и а_ъ рассчи-
тывают кинетику восстановления введенно-
го давлением дихроизма линии ИК-
поглощения межузельного кислорода. Из
анализа этой кинетики теперь можно вычис-
лить время восстановления т, на основе ко-
торого можно определить коэффициент
диффузии кислорода при температуре, при
которой проводился изотермический отжиг,
по следующей формуле [41]:
Рис. 9. Спектр ИК-поглощения межузельного кисло-
рода (1106 см^-1) в кристалле кремния, подвергнутом
отжигу при 400 °С в течение 30 мин под давлением
" идо 11щ 2,710⁸ Па вдоль направления (111} (Т_Изм=300 К) (Б_±
и Eh показано поглощение при направлении вектора поляризации E перпендикулярно и параллельно оси давления {111} соответственно) [40]


28