ISBN 978-3-8439-5025-1

978-3-8439-5025-1, Reihe Ingenieurwissenschaften

Tobias Menold
Kristalldefektdynamik während der Erstarrung von lasergeschmolzenen Silizium-Einkristallen

186 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2022), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht die Entstehung und Dynamik von Kristalldefekten während der (Re-)Kristallisation von lasergeschmolzenen Silizium-Einkristallen. Initial enthalten die Kristalle keine größeren Kristalldefekte, wie Versetzungen. Die zentralen Erkenntnisse sind:

Typische (Re-)Kristallisationsgeschwindigkeiten nach einer Laserschmelzung verursachen übersättigte Konzentrationen intrinsischer Punktdefekte im erstarrten Volumen. Dabei sind sowohl Zwischengitteratome als auch Leerstellen übersättigt.

Abhängig von der Abkühlrate nach der Erstarrung bilden sich drei Regime der defektreichen Mikrostruktur des rekristallisierten Volumens aus. Regime #1 enthält keine Defekte, die mittels Elektronemikroskopie oder optischer Spektroskopie nachweisbar sind. Das Charakteristikum von Regime #2 sind kleine Punktdefektcluster. Insgesamt ähnelt die Mikrostruktur von Regime #2 derjenigen, die typischerweise nach der Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen und anschließender Wärmebehandlung entsteht. Für Regime #3 identifiziert sowohl das Ätzverfahren nach Secco als auch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Versetzungen im erstarrten Volumen. Außerdem zeigt TEM mit höherer Auflösung Versetzungsringe und Stapelfehlertetraeder in der Mikrostruktur von Regime #3. Beide Defekte entstehen durch Kondensation intrinsischer Punktdefekte. Darüber hinaus misst Raman-Spektroskopie für Regime #3, im Gegensatz zu Regime #1 und #2, mechanische Eigenspannungen.

Insgesamt entwickelt sich folgende Modellvorstellung: Die (Re-)Kristallisation nach einer Laserschmelzung erzeugt übersättigte Punktdefektkonzentrationen, welche zur Reduktion der Übersättigung zu Clustern aggregieren, die ab einer gewissen Größe zu Versetzungsringen kollabieren. Aufgrund der laserinduzierten thermischen Spannungen entsteht aus den Versetzungsringen die komplexe, versetzungsreiche Mikrostruktur von Regime #3.