Структура пленок si/a1 20 3 h пути улучшения их качества

phonon spectra. NATO Science Series, in Proceeding of the NATO Advanced Research Workshop on Physics of Lasers Crystals, J.-C. Krupa and N. A. Kulagin, eds. (Kluwer Academic Publishers, 2003). Vol. 126,

P. 51 - 61.

17. Orlovskii Yu. V., Basiev Т. Т., Pukhov К. K., Vorob'ev I. N.. Papashvili A. G., Pelle F., Osiko V. V. Multi phonon relaxation of mid IR transitions of rare- earth ions in the crystals with fluorite structure // Journal of Lumin., (2001). V. 94/95, V. 791 — 795.

18. Seelbinder M. В., Wright J. C. Site-selective spectroscopy of CaF : Ho3+", Phys. Rev. B. 20 4308 — 4320 (1979).

19. Mujaji M., Jones G. D., Syme R. W. G. Polarization study and crystal-field analysis of the laser-selective excitation spectra of Ho3+ ions in CaF2 and SrF2 crystals. Phys. Rev. B. 46. 14398 — 14411 (1992).

20. Orlovskii Yu. V., Basiev Т. Т., Pukhov К. K., Glushkov N. A., Alimov О. K., Mirov S. B.

Multi phonon relaxation of mid IR transitions of rare-earthions in fluorite type crystals, in the Proceedings volume of the Advanced Solid-State Photonics 2004, author: Gregory Quarles, (Optical Society of America, Washington, D. C., TOPS Volume 94, 2004), P. 440 — 445.

21. Orlovskii Yu. V., Reeves R. J., Powell R. C., Basiev Т. Т., Pukhov К. K. Multiple- phonon nonradiative relaxation: Experimental rates in fluoride crystals doped with Er3+ and Nd3+ ions and a theoretical model. Phys. Rev. B. 49, 3821 — 3830. (1994).

22. Orlovskii Yu. V., Basiev Т. Т., Pukhov К. K., Polyachenkova M. V., Fedorov P. P., Alimov О. K., Gorokhova E. IM Demidenko V. A., Khristich O. A. Oxysulfide optical ceramics doped by Nd3+ for one micron lasing, Journal of Lumin., (2006) in press, doi:10.1016/j.jlumin.2006.08.031. Available now at Science Direct.

23. Cariiall W. T. Hannah Crosswhite and Crosswhite H. M. Energy level structure and transition probabilities in the spectra of the trivalent lanthanides in LaF? Aragone National Laboratory, Internal Report (1977).

24. Malkin B. Z. Spectroscopy of Solids Containing Rare Earth Ions, A. A. Kaplyanskii and R. M. Mac-farlane, eds. (North-Holland, Amsterdam 1987), Chap. 2, P. 13.

25. Pukhov K. KM Sakun V. P. Theory of nonradiative multi phonon transitions in impurity centers with extremely weak electron-phonon coupling. Phys. Stat. Sol. (b), 95, 391-402 (1979).

26. Basiev Т. Т., Orlovskii Yu. V., Pukhov К. K., Sigachev V. В., Doroshenko M. E., Vorob'ev I. N. Multi phonon relaxation rates measurements and theoretical calculations in the frame of nonlinear and non-Coulomb model of a rare-earth ion-ligand interaction, J. Lumin., 68, 241 — 254 (1996).

27. Orlovskii Yu. V., Basiev Т. Т., Pukhov К. K. t Alimov О. K., Doroshenko M. E., Polyachenkova M. V., Dmitruk L. N., Osiko V. V., Badikov D. V., Badikov V. V., Mirov S. B. Mid-IR transitions of trivalent neodymium in low phonon laser crystals, Optical Materials (2006) doi: 10.1016/j.optmat. 2006.05.009. Available now at Science Direct.

Поступила 14.03.07

СТРУКТУРА ПЛЕНОК Si/Al203 И ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ИХ КАЧЕСТВА

С. А.Денисов,

B. Г. Шенгуров, доктор физико-математических наук,

C. П. Светлов, кандидат физико-математических наук, В. Ю. Чалков

водиться при температуре 1 450 °С в течение 30 мин. Сапфировые подложки использовали с ориентацией (Н02). При испарении кремния с помощью электронной пушки в вакууме ~1'10"9 Topp были выращены субмикронные слои кремния с ориентацией (100). Температу-

© С. А. Денисов, В. Г. Шенгуров, С. П. Светлов, В. Ю. Чалков, 2007

Выращивание эпитаксиальных слоев кремния на сапфире (КНС) методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) требует определенной подготовки подложек и соответствующих условий роста [5; 6]. Сообщалось, что предэпи-таксиальный отжиг подложек in situ должен про-

ра роста была выбрана в одном случае равной ду 850° и 925 °С наблюдалось фасетирование

670 °С [6], а в другом — 750 °С [5].

Реальная структура эпитаксиальных слоев кремния на сапфире существенно зависит от температуры подложки.

Целью данной работы явилось исследование зависимости структурного совершенства слоев КНС от температуры роста методом сублимационной МЛЭ, а также поиск путей для улучшения ^структурного совершенства слоев кремния и сглаживания их поверхности.

Методика эксперимента

Выращивание слоев КНС проводили в

С <

сверхвысоковакуумной установке методом сублимационной МЛЭ по методике, описанной в [2]. В качестве подложки использовали пластины сапфира ориентации (П02) и размером пластин 35 х 35 мм. Перед ростом структур проводился отжиг подложки при 1 400 9С в течение 30 мин. Затем снижали температуру подложки до заданной и проводили рост слоя кремния. Выращивание слоев кремния проводили со скоростью роста ~ 1 мкм/ч. Некоторые структуры после их исследования вновь загружали в ва-

растущего слоя кремния. При осаждении на подложку, нагретую выше 925 °С, происходило ее травление. Следует отметить, что в настоящей работе рост слоев кремния проводили из сублимирующего кремниевого источника.

Проведена серия опытов по осаждению слоев кремния толщиной 0,5 мкм в интервале температур подложки 550—850 °С. По данным электронографии, все слои, выращенные в этом интервале температур, были монокристаллическими. На электронограммах присутствовали только кикучи-линии и кикучи-полосы. На снимках от слоев, выращенных при 550 °С, резкость кикучи-картин невысокая, но с повышением температуры роста их резкость увеличивалась, что свидетельствовало об улучшении структуры ело? ев кремния.

Данные по исследованию КНС-структур методом рентгенографии приведены на рис. 1, где видно, что наиболее совершенные по структуре слои кремния растут в интервале температур 700 — 750 °С. Величина ширины кривой качания Д(о1/2 в этих структурах составляет 16 (рис. 1). При снижении температуры роста на-

куумную установку и проводили отжиг при тем- л лг

33 3 3 3 г У  блюдается увеличение этого параметра. Ухуд-

пературе 850 °С в течение двух часов. При вы- шение СТруКтурного совершенства наблюдает-

ращивании эпитаксиальных слоев и их отжиге давление в камере составляло - 10~7 Topp.

Структурное совершенство слоев оценивалось по ширине кривой качания и данным электронографии. Дифракционные кривые снимались на двухкристальном рентгеновском спектрометре по схеме (я;-п) с использованием СиКо^-излучения. Электронограммы от исследуемых образцов снимались на отечественном электронографе ЭМР-102 при ускоряющем напряжении, равном 50 кВ, в режиме «на отражение». Морфология поверхности слоев исследовалась с использованием атомно-силовой микроскопии (АСМ) на приборе ТМХ-2100 «Accurex».

Зависимость структуры эпитаксиальных слоев КНС от температуры роста

Детальное исследование влияния температуры подложки на рост эпитаксиальных слоев кремния на сапфире было проведено в работе [3]. Нами были выращены методом МЛЭ монокристаллические слои кремния на подложке

*

сапфира (1102) в интервале температур 600 — 850 °С. Осаждение кремния ниже 600 °С приводило к росту поликристаллических пленок. В диапазоне температур приблизительно меж-

ся и в слоях, выращенных при более высоких температурах (> 800 °С). Отметим, что такой же немонотонный характер зависимости До)1/2 от температуры роста наблюдался и для КНС-структур с большей толщиной слоя кремния (й = 1 мкм).

24

22

х х

5

20

е <

18

16

\

i

i

Л

у 1

X

f

600

650

700

7Ш

800

850

Температура, °С

Рисунок 1

Зависимость ширины кривой качания слоев кремния на сапфире от температуры роста. Толщина пленок 0,5 .АС/С АС

Выращенные в указанном выше интервале температур слои кремния имели ориентацию

(100). В наших опытах снижение температуры роста до 550 °С и приводило к ухудшению структурного совершенства слоев, но было установлено, что они остаются монокристаллическими. В то же время эти слои состоят из зерен ориентаций (100) и (110). О появлении дополнительной ориентации пленки кремния сообщалось и в работе [3]; при этом отмечалось, что скорость зарождения зерен с ориентацией (110) при низких температурах роста выше скорости зарождения зерен с ориентацией (100).

Полученную зависимость структурного совершенства слоев кремния на сапфире можно объяснить следующим образом. С уменьшением температуры роста уменьшается скорость миграции атомов кремния по поверхности подложки, т. е. увеличивается вероятность роста трехмерных зародышей. При высоких температурах ухудшение структурного совершенства,

по-видимому, связано с химическои реакцией кремния с подложкой, в результате которой образуется оксид БЮ и А1 [3]. Так же увеличивается диффузия атомов алюминия в кремниевый слой.

I

28-

24-

х

X

2

I

20-

16-

12-

1

\

Т\

\

I

0.2

0,4

0.6 мкм

0.8

1.0

Рисунок 2 Зависимость структурного совершенства от толщины слоя кремния.

Температура роста 700 °С

Нами было исследовано и структурное совершенство слоев от их толщины. На рис. 2 приведена зависимость величины Дсо1/2 от толщины слоев от 1,0 до 0,2 мкм, выращенных при Т$ = 700 °С. Видно, что с уменьшением толщины слоя его структурное совершенство ухудшается. При этом отметим, что даже тонкие слои (0,2 мкм) остаются монокристаллическими: на электронограммах, снятых с их поверх-

ности, наблюдаются кикучи-линии и слои сохраняют ориентацию (100).

Улучшение структурного совершенства с увеличением толщины слоя можно связать с тем, что в процессе роста пленки в каждом новом слое атомов кремния за счет ввода дислокаций уменьшаются механические напряжения, вызванные несоответствием параметров кристаллических решеток сапфира и кремния.

Отжиг выращенных КНС-структур Послеростовой отжиг КНС-структур был использован нами для улучшения кристаллического качества слоев, выращенных при низких температурах (550 — 600 °С). Результаты исследования приведены в табл. 1. Уменьшение ширины пика 100) в два раза наблюдалось для слоя, выращенного при 550 °С. В слоях, выращенных при 600 °С, изменения этого параметра после отжига КНС-структур не происходит. Отметим также, что после отжига КНС-структур с двойной ориентацией слоев сохранялась лишь ориентация (100).

Как было показано в работе [1], при достаточно высоких температурах отжига происходит преобладание одной ориентации над другими: для кремния это ориентация (100). Смена или выделение одной преимущественной ориентации в пленках кремния после отжига КНС-структуры объясняется стремлением поверхностной энергии пленки к минимуму. Значение поверхностной энергии пленки с ориентацией (100) меньше, чем пленки с ориентацией (110) [1]. Смена ориентации в пленках предположительно происходит из-за увеличения размера блоков с одной ориентацией за счет поглощения других, как это происходит в тексту-рированных поликристаллических пленках кремния.

Таблица1

Изменение параметров структуры

слоев кремния на сапфире

после отжига

Температура роста, Т °С 5 До отжига После отжига М

ориентация слоя Д«>./2> мин Ориентация слоя Д 1/2» - МИН

? 550 (Ю0) -60,0 (100) > 5гС ьч 31,6

(110) ~ 42,0

550 (НО) 23,4 (100) 25

600 (100) 31,6 у (100) 31,6

и *

Слои КНС с прослойкой аморфного кремния

Для улучшения морфологии слоев кремния на сапфире нами использовалось предосажде-ние непосредственно на подложку при температуре, близкой к комнатной, тонкого слоя кремния. Такой прием был опробован раньше при выращивании КНС-структур пиролизом сила-на [4], а также слоев кремния на подложках

CaF2 [7].

Для этого после высокотемпературного отжига температуру подложки снижали до температуры, близкой к комнатной, и на различные части подложки осаждали слои кремния в течение 5, 10 и 15 с. Для этого через каждые 5 с часть подложки закрывали заслонкой. После этого температуру подложки поднимали до 700 °С и на всю поверхность подложки осаждали слой толщиной ~ 0,5 мкм.

При исследовании методом электронографии структурного совершенства пленки кремния, выращенной на различных участках подложки, выявили следующее (рис. 3). На участке пленки кремния, выращенной при 700 °С непосредственно на сапфире, наблюдались точечные рефлексы и кикучи-линии. Рост пленки кремния на аморфной прослойке, выращенной в течение 5 с, приводил к мозаичной структуре. Слои кремния с прослойкой, время роста которой > 10 с, имели поликристаллическую структуру.

АСМ показывает, что поверхность слоя, выращенного на прослойке кремния, имеет более гладкую поверхность по сравнению с шероховатой поверхностью слоя кремния, выращенного непосредственно на сапфире (рис. 4).

Наши результаты исследований согласуются с результатами, приведенными в статье [4], где указывается, что поверхность слоя кремния, выращенного на прослойке толщиной 20 Е, лучше, чем у слоя без прослойки.

:!гг<

•да

Ü

'Л)%

tu •%••/ •

ШШж -

WU 1- i' мЭЯ. «i.

• ^ л1 - 2Я1' «а * г*»KTsax ' i/ ячт&Ф $ \ и* /:jA зШи')} mu^fö fr '-n

а

б

82

Рисунок 3

Электронограммы от слоев, выращенных при 700 °С непосредственно на сапфире

Механизм эпитаксиального роста кремния на промежуточном слое был исследован при анализе начальной стадии выращивания в [7]. Результаты этих исследований показали, что промежуточный слой кремния, имеющий, первоначально, вероятно, аморфную структуру, переформировывается в почти эпитаксиальную путем твердофазной эпитаксии при подъеме температуры от комнатной до температуры роста. Это способствует в дальнейшем эпитаксиаль-ному росту кремния при повышенных температурах.

5 08 rnkm

2.54 rnkm

410.98 nrr

0 mkm

0 OD nm

0 rnkm

2.54 mkm

5.08 mkm

а

5.08 mkm

2.54 mkm

0 rnkm

'Sp

»*> у

trüb •ftf*

№

t Ш

Ш

¡4h

r i

I:fei1

ш

I Щ

ff/S *

]ftf Д

• W 1 : Ж

0 mkm

69 36 nrr

W

2.54 mkm б

- 0 00 nm

.  «L -i

5.08 mkm

Рисунок 4 Морфология поверхности от слоев, выращенных при 700 °С непосредственнона сапфире

и на прослойке

Исследовано структурное совершенство слоев кремния на подложках сапфира в зависимости от температуры роста. Эпитаксиальные слои хорошего кристаллографического качества были получены в интервале температур подложки 600—850 °С. Использовано несколько подходов для повышения структурного совер-

ВЕСТНИК Мордовского университета | 2007 | № 3

шенства и морфологии поверхности КНС-струк-тур. Установлено, что послеростовой отжиг в сверхвысоком вакууме приводит к улучшению структуры слоев, выращенных при низкой температуре: уменьшается величина ширины кривой качания в 2 раза и из двух ориентаций пленки кремния остается основная (100). Введение промежуточного слоя кремния, осаж-

денного при температуре, близкой к комнатной, позволяет улучшить морфологию пленки кремния на сапфире.

Авторы выражают благодарность В. Н. Трушину за проведение измерений методом рентгеновской дифракции, Е. А. Питиримовой за измерение методом электронографии и Е. В. Ко-роткову за измерения на АСМ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Горелик С. С. Материаловедение полупроводников и диэлектриков / С. С. Горелик, М. Я. Дашев-ский / / М.: Металлургия, 1988. С. 574.

2. Денисов С. А. Выращивание монокристаллических субмикронных слоев кремния на сапфире методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии /С. А. Денисов, В. Г. Шенгуров, С. П. Светлов, В. Ю. Чалков, Д. А. Павлов, Ю. Н. Дроздов, П. А. Шиляев / / Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2005. № 11. С. 32 — 39.

3. Chang С. С. Silicon-on-Sapphire Epitaxy by Vacuum Sublimation: LEED-Auger Studies and Electronic Properties of the Films /С. C. Chang // J. Vac. Sci. Technol. 1971. Vol. 8. P. 500.

4. Makoto I. Growth and properties of Si films on sapphire with predeposited amorphous Si layers. / Ishida Makoto, Yasuda Yukio, Ohyama Hidenori, Wakamatsu Hidetoshi [et. al] //J Appl. Phys. 1986. Vol. 59, № 12. P. 4073 — 4078.

5. Richmond E. D. Molecular beam epitaxy versus chemical vapor deposition of silicon on sapphire / E. D. Richmond, M. E. Twigg, S. Qadri, J. B. Pellegrino, M. T. Duffey //Appl. Phys. Lett. 1990. Vol.56, № 25. P. 2551 — 2553.

6. Richmond E. D. MBE-grown silicon on sapphire / E. D. Richmond / / Thin Solid Film. 1990. № 192. P. 287 — 294.

7. Tanemasa A. Epitaxial growth of Si films on CaF2 Si structures with thin Si layers predeposited at room temperature / Asano Tanemasa, Ishiwara Hiroshi //J. Appl. Phys. 1984. Vol. 55, № 10. P. 3566 — 3570.

Поступила 14.03.07.

ВЛИЯНИЕ у-ОБЛУЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНОСИЛЛЕНИТА,

СОДЕРЖАЩИХ Сг3+ И Бе3*

Н. Г. Горащенко, кандидат химических наук, И. В. Степанова

Монокристаллы со структурой силленита [2] (В112МО20, М = Ое4+, Б14+ (рис. 1) используются в различных акусто- и оптоэлектронных устройствах (пьезодатчики, линии задержки электромагнитных сигналов, электро- и магнитооптические измерители напряженности полей, пространственно-временные модуляторы света и др.). По комплексу физико-химических свойств силлениты являются материалом, пер-

спективным для использования в линиях контроля и управления ядерных реакторов.

Однако степень радиационной устойчивости этих материалов к настоящему времени практически не изучена. Известно, что большинство свойств силленитов зависят как от ионов, составляющих их структуру, так и от условий получения и обработки монокристаллов [1; 3]. Предметом наших исследований было изучение

© Н. Г. Горащенко, И. В. Степанова, 2007