Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 1, 2022 65 Georgian Scientists ქართველი მეცნიერები Vol. 4 Issue 1, 2022 https://doi.org/10.52340/gs.2022.04.01.07 მექანიკური პოლირების გავლენა მონოკრისტალური p-SiGe ფუძეშრეების ფიზიკურ-მექანიკური თვისებებზე ია ყურაშვილი1, ტატიანა მელაშვილი, ნარგიზა გოგოლაშვილი, გიორგი ჩუბინიძე, მარინა ქადარია, დავით მხეიძე, გიორგი დარსაველიძე სოხუმის ილია ვეკუას ფიზიკა-ტექნიკის ინსტიტუტი, თბილისი, საქართველო 1ელ-ფოსტა: iakurashvili80@gmail.com; https://orcid.org/0000-0003-4175-1946 ანოტაცია. შესწავლილია მექანიკური პოლირების გავლენა მონოკრისტალური p-SiGe შენადნობების ფუძეშრეების სტრუქტურულად-მგრძნობიარე ფიზიკურ თვისებებზე. ნაჩვენებია სხვადასხვა დისპერსულობის ალმასის ნაწილაკების შემცველი მაპოლირებელი კომპოზიციით დამუშავებული SiGe ფუძეშრეების (111) ორიენტაციის ზედაპირებზე ელექტრული მახასიათებლების, ინფრაწითელი გამოსხივების ოპტიკური შთანთქმის სპექტრების, შინაგანი ხახუნისა და ძვრის მოდულის მნიშვნელობების არამონოტონური ცვლილებები. პოლირების პროცესში წარმოქმნილი დეფექტები ურთიერთქმედებენ მალეგირებელი ბორისა და ტექნოლოგიური წარმოშობის ჟანგბადისა და ნახშირბადის ატომებთან. ოთახის ტემპერატურის პირობებში მექანიკური დამუშავების პროცესში მიმდინარეობს დეფორმაციული წარმოშობის დეფექტების ფორმირება. ინფრაწითელი გამოსხივების შთანთქმის სპექტრებში გამოვლენილია კრისტალურ მესერში არსებული ნახშირბადისა და ჟანგბადის ატომების კონცენტრაციის შემცირება და Ci-Cs, Ci-Oi, V-O დეფექტები. ნავარაუდევია, რომ SiGe ფუძეშრეების (111) სიბრტყეებზე ელექტროფიზიკური და ფიზიკურ- მექანიკური თვისებების არამონოტონური ცვლილებები გამოწვეულია მექანიკური პოლირების პროცესებში წარმოქმნილი დეფექტების ელექტრული აქტიურობისა და დისლოკაცია- დეფექტების ასოციაციების ურთიერთქმედების მექანიზმების ცვლილებებით. საკვანძო სიტყვები: შენადნობები, პოლირება, დეფორმაციული დეფექტი, შინაგანი ხახუნი, ძვრის მოდული, ოპტიკური შთანთქმის სპექტრი. mailto:iakurashvili80@gmail.com https://orcid.org/0000-0003-4175-1946 Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 1, 2022 66 ნახევარგამტარული მასალების ნამზადების (ფირები, ღეროები, ...) ზედაპირების მექანიკური დამუშავების პროცესებში წარმოიქმნება სტრუქტურული დეფექტები, რომლებიც იწვევენ ელექტროფიზიკური მახასიათებლების ცვლილებებს. ზედაპირზე ფორმირებული დეფექტების სტრუქტურის, თერმული მდგრადობისა და ურთიერთქმედების მექანიზმების გაღრმავებული კომპლექსური შესწავლის საფუძველზე შესაძლებელია დადგინდეს ნახევარგამტარული პროფილირებული ნიმუშების ზედაპირული ფენების სტრუქტურული მდგომარეობისა და ელექტროფიზიკური თვისებების მიზანმიმართული მართვის საშუალებები. აღნიშნული მიმართულებით განხორციელებულია მონოკრისტალური სილიციუმის ფირების ექსპერიმენტული კვლევები [1,2]. დამუშავებულია სილიციუმის კრისტალურ მესერში მექანიკური ხეხვისა და პოლირებით გავრცობილი დეფექტების (დისლოკაციები, წყობის დეფექტები) ფორმირების მეთოდები, რითაც შესაძლებელია შეიქმნას ინფრაწითელი გამოსხივების დიაპაზონში ფოტოლუმინესცენციის ეფექტების გამოვლინების პირობები [3,4]. ნახევარგამტარული SiGe შენადნობების პროფილირებული ნიმუშების, კერძოდ მათი ფუძეშრეების, ანალოგიური ხასიათის კვლევები პრაქტიკულად განხორციელებული არ არის. წინამდებარე ნაშრომში შესწავლილია სხვადასხვა დისპერსულობის ალმასის პასტებით პოლირებული მონოკრისტალური p-ტიპის სილიციუმ-გერმანიუმის შენადნობების სტრუქტურულად-მგრძნობიარე ელექტროფიზიკური მახასიათებლების ცვლილებათა კანონზომიერებანი. ოთახის ტემპერატურის პირობებში ვანდერ პაუს მეთოდით განსაზღვრულია ელექტროფიზიკური მახასიათებლების (კუთრი ელექტროწინაღობა, დენის მატარებლების კონცენტრაცია, ძვრადობა) მნიშვნელობები; ინფრაწითელი გამოსხივების ფართო დიაპაზონში გამოკვლეულია ოპტიკური შთანთქმის სპექტრების შემადგენელი მაქსიმუმების მახასიათებლების ცვლილებები და გაანალიზებულია მათი წარმოშობის ბუნება. გრეხითი რხევების მილევის ლოგარითმული დეკრემენტისა და სიხშირის რეგისტრაციით განსაზღვრულია სხვადასხვა ხარისხით პოლირებული ნიმუშების შინაგანი ხახუნის ინტენსივობისა და ძვრის დინამიური მოდულის სიდიდეები. ელექტრული მახასიათებლების დადგენის მიზნით ჰოლის ეფექტის რეგისტრაცია განხორციელდა Ecopia HMS-3000 სისტემის დანადგარზე. ნახ.1-ზე წარმოდგენილია (111) ორიენტაციის სხვადასხვა შედგენილობის p-SiGe შენადნობების 0,5 მმ სისქის ფირების დენის მატარებლების კონცენტრაციის დამოკიდებულება მაპოლირებელი ალმასის პასტების დისპერსულობაზე. Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 1, 2022 67 ნახ.1. p-SiGe შენადნობების დენის მატარებლების კონცენტრაციის დამოკიდებულება მაპოლირებელი ალმასის პასტების დისპერსულობაზე. 1. p-Si+2ატ.%Ge:B 2- p-Si+2,5ატ. %Ge:B ნახაზიდან ჩანს დენის მატარებელი ხვრელების კონცენტრაციის ცვლილების არამონოტონურობა, რაც მკვეთრად ვლინდება მაპოლირებელი მასალის დისპერსულობის 0-5 მკმ დიაპაზონში. მეტად მცირე დისპერსულობის მასალით პოლირების პროცესში მოსალოდნელია ძლიერ ლოკალიზებულ არეებში ვაკანსიებისა და მიკრობზარების წარმოქმნა. მიკრობზარები წარმოადგენენ დისლოკაციური წარმოშობის გავრცობილი დეფექტების ცენტრებს. მათ არეებში ატომთაშორისი კავშირის გაწყვეტა ქმნის დენის მატარებლების კონცენტრაციის ცვლილებების პირობებს. არ არის გამორიცხული ძლიერ დეფორმირებულ დეფექტებით გამდიდრებულ ზედაპირებზე მიკროფაზების ფორმირება ჟანგბადის და ნახშირბადის ატომების მონაწილეობით. 1,5-2,5ატ.% ინტერვალში გერმანიუმის პროცენტული შემცველობის ცვლილება მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს საცდელი ნიმუშების ელექტროფიზიკურ მახასიათებლებზე. ცხრილში 1 წარმოდგენილია p-Si+2ატ.%Ge:B ფუძეშრის ელექტროფიზიკური მახასიათებლების დამოკიდებულება მაპოლირებელი ალმასის ნაწილაკების დისპერსულობაზე. (111) ორიენტაციის p-Si+2ატ.%Ge:B ფუძეშრის ელექტროფიზიკური მახასიათებლების დამოკიდებულება მაპოლირებელი ალმასის ნაწილაკების დისპერსულობაზე. Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 1, 2022 68 ცხრილი1 მაპოლირებელი ალმასის ნაწილაკების დისპერსულობა, მკმ დენის მატარებლების ძვრადობა, სმ2.ვ-1.წმ-1 დენის მატარებლების კონცენტრაცია სმ-3 კუთრი ელექტროწინაღ ობა, ომი.სმ 0,05 250 7.37.1015 3.39 0,25 220 8.68.1015 3.27 0,5 252 7.89.1015 3.14 1,0 255 6.84.1015 3.62 5,0 242 7.89.1015 3.27 გრეხითი რხევების მილევის ლოგარითმული დეკრემენტისა და სიხშირის რეგისტრაცია განხორციელდა ლაბორატორიულ მექანიკურ რელაქსატორზე, რომელიც დაფუძნებულია შებრუნებულ ქანქარაზე. ქანქარის ვერტიკალურ ღერძზე მექანიკური მომჭერებით ფიქსირდება ღეროს ფორმის საცდელი ნიმუშები ზომებით 0,8x0,8x(25-30)მმ3. გრეხვის პროცესში რხევების ამპლიტუდური დეფორმაციის გამომწვევი ძაბვა არ აღემატება 10-5.G, სადაც G წარმოადგენს საცდელი მასალის ძვრის მოდულის აბსოლუტურ მნიშვნელობას. გრეხითი რხევების მილევის პროცესში ენერგიის გაბნევის ინტენსივობა განისაზღვრებოდა ცნობილი ფორმულით [5]: 𝑄−1 = 1 𝜋𝑛 ∙ 𝑙𝑛 𝐴𝑚 𝐴𝑚+𝑛 სადაც n-არის შესრულებული რხევების რაოდენობა ამპლიტუდის Am-დან Am+n-მდე შემცირების პროცესში. ორივე საცდელი ნიმუში ხასიათდება შინაგანი ხახუნის ინტენსივობის არამონოტონური ცვლილებით სხვადასხვა დისპერსულობის ალმასით დამუშავების პირობებში. გერმანიუმის შედარებით მაღალი შემცველობის შენადნობის ფუძეშრეს ახასიათებს შინაგანი ხახუნის ინტენსივობის მაქსიმუმი 0,5 მკმ დისპერსულობის ალმასით დამუშავების შემთხვევაში. მაქსიმუმის პოზიცია წანაცვლებულია მსხვილმარცვლოვანი ალმასით დამუშავების მიმართულებით. გრეხითი რხევების მილევის მაქსიმუმი ხასიათდება გაგანიერებით. მისი არსებობა და, ასევე ინტენსივობის ცვლილება შესაძლებელია დაკავშირებულია SiGe შენადნობის ზედაპირული ფენების სტრუქტურაში რელაქსაციის ცენტრების ფორმირებასთან მექანიკური დამუშავების პროცესში. შინაგანი ხახუნის ინტენსივობის ცვლილება განპირობებულია რელაქსაციის ცენტრების ზომებითა და მათი შემადგენელ კომპონენეტებს შორის მანძილების ცვალებადობით. ასეთ ცენტრებს წარმოადგენენ დისლოკაციები, დეკორირებული მინარევების ატომებითა და დისპერსული ფაზებით. Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 1, 2022 69 ერთდროულად განისაზღვრებოდა სიხშირის სიდიდეები. ეტალონური ნიმუშისა (ვანადიუმი) და საცდელი ნიმუშების რხევების სიხშირეების განსაზღვრის საფუძველზე გამოთვლილი იქნა ძვრის მოდულის მნიშვნელობები ფორმულით [5]: 𝐺 = 𝐺𝑜 ∙ 𝑓2 𝑓𝑜 2 სადაც-Go, fo ეტალონური ვანადიუმის, ხოლო G და f საცდელი ნიმუშების ძვრის მოდულისა და გრეხითი რხევების სიხშირის მნიშვნელობებია. ცხრილი 2-დან ჩანს, რომ ძვრის მოდულის სიდიდეების შემცირებულია გერმანიუმის მაღალი შემცველობის შენადნობში მაპოლირებელი მასალის დისპერსულობის სრულ დიაპაზონში. SiGe ფუძეშრეების დინამიური მექანიკური მახასიათებლების დამოკიდებულება პოლირების ხარისხზე ცხრილი 2 p-Si+2ატ.%Ge:B p-Si+2,5ატ.%Ge:B ალმასის დისპერსუ ლობა, მკმ ძვრის მოდული, x103, კგ/მმ2 შინაგანი ხახუნის ინტენსივობა, x 104 ალმასის დისპერსულო ბა, მკმ ძვრის მოდულ ი, x103, კგ/მმ2 შინაგანი ხახუნის ინტენსივობა, x 104 0.05 4,80 15 0.05 4.40 17 0.25 4,85 11 0.25 4.45 16 0.5 4,95 7 0.5 4,50 13 1.0 5,05 5 1.0 4,55 10 2.0 4,95 8 2.0 4,70 12 5.0 4,70 10 5.0 4,60 16 ნახ.2-ზე წარმოდგენილია მაპოლირებელი მასალის დისპერსულობის ცვლილების პირობებში ძვრის დინამიური მოდულის ცვლილების ხასიათი. Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 1, 2022 70 ნახ.2. p-SiGe ფუძეშრეების ძვრის მოდულის დამოკიდებულება მაპოლირებელი ალმასის პასტების დისპერსულობაზე. 1.p-Si+2ატ.%Ge:B 2- p-Si+2,5ატ. %Ge:B მექანიკური დამუშავებით p-SiGe ნიმუშების ზედაპირებზე წარმოქმნილი სტრუქტურული დეფექტები შესამჩნევად ცვლიან ინფრაწითელი გამოსხივების ოპტიკური შთანთქმის მაქსიმუმების ენერგეტიკულ მდგომარეობებსა და ინტენსივობებს. ცვლილებას განიცდიან ასევე p-SiGe შენადნობის კრისტალურ მესერში გახსნილი ჟანგბადისა და ნახშირბადის ატომების ოპტიკური შთანთქმის მაქსიმუმები. ნახ.3.-ზე წარმოდგენილია 0,25 მკმ დისპერსულობის ალმასით პოლირებული (111) ორიენტაციის ნიმუშის ოპტიკური შთანთქმის სპექტრი. ის წარმოადგენს მზარდი ფონისა და დეფორმაციული წარმოშობის დეფექტებთან დაკავშირებული მაქსიმუმების ერთობლიობას. 5355.244 0.002 3870.190 0.003 3822.602 0.005 3798.952 0.003 3752.313 0.008 3675.671 0.006 2924.301 0.005 2855.758 0.002 2361.187 0.020 1794.041 0.003 1747.779 0.007 1684.765 0.005 1652.764 0.004 1542.374 0.007 1508.658 0.007 1457.236 0.007 1339.197 0.005 1316.359 0.003 1106.781 0.024 890.187 0.008 815.589 0.003 734.951 0.013 604.446 0.068 516.079 0.005 472.447 0.005 423.471 0.006 #81(1) SiGe(2%Ge) 0.25mk 04.08.2016 5800 5600 5400 5200 5000 4800 4600 4400 4200 4000 3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0.29 0.28 0.27 0.26 0.25 0.24 0.23 0.22 0.21 0.20 Wavenumber A b s o rb a n c e Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 1, 2022 71 ნახ.3. 0,25 მკმ დისპერსულობის ალმასით პოლირებული (111) ორიენტაციის ფუძეშრის ინფრაწითელი გამოსხივების ოპტიკური შთანთქმის სპექტრი. სპექტრში მკაფიოდ არიან წარმოდგენილი ჟანგბადის ჩანერგვის პოზიციებში განთავსებული ატომებისა (1107 სმ-1) და ნახშირბადის ჩანაცვლების პოზიციებში გახსნილი ატომების (604 სმ-1) და კრისტალური მესრის რხევებზე მრავალფონონური გაბნევის მაქსიმუმების სიმრავლე ტალღური ვექტორის 800-1100 სმ-1 დიაპაზონში. ალმასის მაპოლირებელი მასალის დისპერსულობის ცვლილებით 0,25-5,0 მკმ ინტერვალში ოპტიკური შთანთქმის მაქსიმუმების პოზიციები და ინტენსივობა არამონოტონურად იცვლება (ცხრილი 1). ოპტიკური შთანთქმის სპექტრებში მექანიკური პოლირების შედეგად ჩნდება მაქსიმუმი 2360 სმ- 1 ტალღური ვექტორის მახლობლობაში. აღნიშნული მაქსიმუმი განეკუთვნება CO2 მოლეკულას [6]. მისი არსებობა p-SiGe შენადნობის ოპტიკური შთანთქმის სპექტრში შესაძლებელია დაკავშირებულია დეფორმაციით გააქტიურებულ ზედაპირზე ატმოსფეროში არსებული CO2 მოლეკულების აბსორბციით. შესაძლებელია ასევე მისი ფორმირება უშუალოდ მექანიკური პოლირების პროცესში. CO2-სთან დაკავშირებული მაქსიმუმი სრულად ჩაიხშობა ქიმიური პოლირებით, რაც მიუთითებს მის წარმოშობაზე ფუძეშრეების ზედაპირულ ფენებში გარეშე ფაქტორების ზემოქმედების პირობებში. p-Si+2ატ.%Ge:B ფუძეშრის მინარევების კონცენტრაციის დამოკიდებულება მაპოლირებელი ალმასის ნაწილაკების დისპერსულობაზე ცხრილი 1 ალმასის დისპერსულობა, მკმ ოპტიკური შთანთქმის კოეფიციენტი, სმ-1 C O CO2 0,05 6.8x 10-1 2.9x 10-1 1.38 x 10-1 0,25 3.13 x 10-1 1.15x 10-1 1.9 x 10-1 0,5 8.9 x 10-1 2.3 1.2 x 10-1 1,0 9 x 10-1 2.35x 10-1 0.46 x 10-1 5,0 4.7 x 10-1 1.38x 10-1 0.74 x 10-1 მაპოლირებელ მასალაში ალმასის დისპერსულობის ფართო დიაპაზონში C და O მინარევების შდგენილობის არამონოტონური ცვლილებების ერთ-ერთ მიზეზად შესაძლებელია ვივარაუდოთ აღნიშნული ელემენტების ურთიერთქმედება ვაკანსიური და დისლოკაციური წარმოშობის დეფექტებთან, რაც ჰქმნის პრეციპიტატებისა და რთული შედგენილობის ვაკანსია- C-O კომპლექსების ფორმირების პირობებს. Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 1, 2022 72 ლიტერატურა: 1. В.Д.Вернер, В. Я. Ковязин, Ю. Н. Кузнецов. Внутреннее трение полупроводниковых пластин кремния. Физика и химия обработки Материалов, 1977, #4. Стр.70-75 2. В.П. Алехин, Физика прочности и пластичности поверхностных материалов. М.: Наука, 1983. 3.V.V. Kveder, E.A. Steiman, S.A.Shevchenko, H.G. Grimmeiss. Dislocation-related electroluminescence at room temperature in plastically deformed silicon. Phys. Rev. B, 51, 10520 , 1995. 4. Р.И.Баталов, Р.М. Баязитов, В.А. Андреев, Д.И.Крижков, В.С. Кудоярова. Фотолюминесценция в области 1,5 мкм механически обработанных слоев монокристаллического кремния. Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, #12. 1427-1430. 5.M.S. Blanter, I.S.Golovin, H.Neuhauser, H.-R.Sinning. Internal friction in metallic materials. A handbook. Springer Series in Materials Science. vol. 990, 2007, XVII, 539p. 6.IR spectrum table and Chart, https://www.sigmaaldrich.com/GE/en/technical-documents/technical- article/analytical-chemistry/photometry-and-reflectometry/ir-spectrum-table INFLUENCE OF MECHANICAL POLISHING ON THE PHYSICAL-MECHANICAL PROPERTIES OF MONOCRYSTALLINE p-SiGe SUBSTRATES I.Kurashvili, T.Melashvili, N.Gogolashvili, G.Chubinidze, M.Kadaria, D.Mkheidze G.Darsavelidze The effect of mechanical polishing on the structural-sensitive physical properties of the monocrystalline p-SiGe substrates has been investigated. Non-monotonic changes in the electrical characteristics, optical absorption spectra of infrared radiation, internal friction and shear modulus values on the (111) surfaces of SiGe substrates treated with a polishing compound containing different dispersions diamond particles have been shown. Defects formed in the polishing process interact with boron and technological origin oxygen and carbon atoms. Defects of deformation origin are formed in the mechanical processing at room temperature. In the absorption spectra of infrared irradiation a decrease of the concentration of carbon and oxygen atoms and Ci-Cs, Ci-Oi, V-O defects have been revealed. It is supposed that the non-monotonic changes in the electrophysical and physical-mechanical properties on the (111) surfaces of SiGe substrates are caused by changes in the electrical activity of defects and mechanisms of the dislocation-defect associations interaction, formed in the polishing processes. Keywords: alloys, polishing, deformation defect, internal friction, shear modulus, optical absorption spectrum. https://www.sigmaaldrich.com/GE/en/technical-documents/technical-article/analytical-chemistry/photometry-and-reflectometry/ir-spectrum-table https://www.sigmaaldrich.com/GE/en/technical-documents/technical-article/analytical-chemistry/photometry-and-reflectometry/ir-spectrum-table