Исследование структур на основе карбида кремния методом ИК спектроскопии

Аверин И.А., Аношкин Ю.В., Гафнер В.А., Печерская Р.М.

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ МЕТОДОМ ИК - СПЕКТРОСКОПИИ

В настоящее время устройства на основе полупроводников находят все больше распространение в приборостроении. Несомненно, наиболее известным полупроводником является кремний. Однако кремний не всегда удовлетворяет требованиям,обеспечивающимзаданные параметры изделий нанотехнологий.

В связи с этим в современной физике полупроводников выделяют два наиболее быстро развивающихся направления:

1 - изменение свойств материала за счет изменения геометрических размеров структур, данное направление еще называют физикой наноструктур;

2 - разработка и исследование новых полупроводниковых материалов.

Работы, проводимые по первому направлению связаны с исследованием закономерностей формирования упорядоченных структур. Однако для ряда соединений при одинаковых технологических режимах одновременно формируются сразу нескольких схожих кристаллических структур, но отличающиеся своими физико-химическими свойствами. Данное явление называют политипизмом, аструктуры с его использованием политипами. Механизмы образования политипных структур полностью не исследованы, причем не всегда удается получить материал определенного политипа при одних и тех же технологических режимах.

Среди физических методов, которые применяются при исследовании наноструктурированных материалов необходимо выделить качественныйи количественныйанализ, где большой интерес представляет взаимодействие вещества с электромагнитным излучением. Электромагнитное излучение при взаимодействии с веществом может вызывать в нем процессы различной физической природы. Так, например, любая молекула имеет свой, только ей присущий колебательный спектр, состоящий из набора полос разной частоты и интенсивности. Поэтому колебательный спектр вещества является его индивидуальной характеристикой (часто ИК - спектры называют даже «отпечатком пальцев» молекулы) и может использоваться для идентификации вещества.

Колебательные спектры молекул экспериментально изучаются методами инфракрасной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Эти спектры связаны с переходами между колебательными энергетическими состояниями, т. е. колебаниями атомных ядер относительно равновесных положений.

В связи с этим целью данной работы является анализ структуры карбида кремния, полученного методом магнетронного распыления.

Особенности структуры карбида кремния

В настоящее время известно довольно большое число политипов карбид кремния но в электронной промышленности нашли свое применение лишь некоторые из них такие как: 3С-, 4Н- и бН-SiC структура элементарной ячейки представлена на рисунке 1. Объясняется это тем, что довольно сложно контролировать последовательность чередование слоев в дальней области кристаллической структуры, в связи с чем появляются множество дефектов, вызванных как технологическим процессом, так и свойствами самого материала.

Так 2Н-8^ является элементарным политипом карбида кремния и имеет гексагональную структуру, а ЗС-SiC кубическую кристаллическую структуру (рисунок 2). Среди более сложных политипов чисто кубических или чисто гексагональных нет. В сложных политипах определенная очередность слоев будет определять их кристаллическую структуру. Если один слой окружают два одноименных слоя, то данный слой можно считать гексагональным, так к примеру в 4Н-8^, при чередовании слоев АВСВ-АВСВ слой С и А являются гексагональными, таким образом каждый политип можно характеризовать по степени гек-сагональности.

Рисунок 2 - Расположение атомов кремния и углерода в политипах карбид кремния

Согласно информационным источникам и публикациям,посвященным карбиду кремния, в частности источнику [1] в котором представлена математическая модель чередования слоев и определения степени гексагональности, возможно сделать вывод, что вероятность образования очередного необходимого слоя в кристаллической структуре сложных политипов карбид кремния является практически одинаковой .

Известно, что карбид кремния характеризуется рядом таких параметров: широкая запрещенная зона;

высокая подвижность носителей заряда;

химическая устойчивость;

высокая теплопроводность;

механическая прочность;

твердость.

Каждый политип карбида кремнияобладает теми или иными свойствами, что дает возможность применение данного материала в узкоспециализированных направлениях.Например, широкая запрещенная зона и высокая подвижность носителей зарядов применяется в электронной технике, высокая теплопроводно -стьв печах, механические свойства в металлообработке.

Экспериментальная часть

Пленки карбида кремния получены на установке УРМ 3.279.014 методом магнетронного распыления в атмосфере инертного газа аргона.

В качестве мишени использовали круглую пластинку диаметром 100 ммполикристаллического карбида кремния с содержанием 99,5%. В качестве подложки, на которую распылялся карбид кремния, использовали монокристаллические пластины кремний (100) диаметром 60 мм и толщиной 350 мкм. Температура подложки составляла 300 0С.

Полученные образцы исследованы на Фурье спектрометре.

Результаты исследования

Для контроля толщины слоя карбида кремния, использовали «свидетель», пластина сапфира. Измерения толщины слоя карбида кремния на свидетеле дали результат 0,8 - 1 мкм.

При замере удельного сопротивления карбида кремния четырех зондовым методом выявлено, что разброс сопротивления по поверхности пластины диаметром 60 мм составляет от 30 до 150 кОм/И.

Поверхность карбида кремния исследовалась на атомно-силовом микроскопе и имеет мелкозернистую структуру с размером зерна от 50 до 100 нм.

Материал мишени содержит большое количество примесей, поэтомуопределения состава получаемого материала является актуальной задачей. Для этого необходимо провести исследования качественного состава припомощи ИК-Фурье спектрометра.

Во-первых, необходимо рассмотретьинтенсивность прохождения сигнала через фоновую составляющую воздуха рисунок 3.

Рисунок 3 - Спектр пропускания воздуха и карбида кремния

Как видно из рисунка 3 спектр пропускания воздуха имеется 3 участка, обладающих высокой интенсивностью шумов, которые вносят существенные изменения в спектр пропускания исследуемой структуры. Так как, в карбиде кремния пики пропускания могут наблюдаться в широком диапазоне частот от 700 до 950 см-1, что вызвано большим количеством политипов карбида кремния, то ограничимся областью частот от 500 до 2000 см-1.

Спектр пропускания кремниевой подложки представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 - Спектр пропускания кремниевой подложки

На данном спектре видны пики соответствующие фононным колебаниям кремния и примесей входящие в состав подложки. Пик с максимальной амплитудой колебаний при частоте 616 см-1 соответствует валентным симметричным колебаниям кремния, при частоте осциллятора 750 см-1 проявляются колебания соединения кремния с углеродом, а на частоте 1110 см-1 проявляются колебания соединения кремния с кислородом.

На рисунке 5 представлен спектр пропускания структуры «карбид кремния на кремнии».

Согласно результатам исследования спектра интенсивность прошедшего излучения через структуру карбид кремния на кремнии резко снизилось, что обусловлено поглощением излучения оптически активными связями. В качестве таких связей могут быть одинарные и кратные связи углерода и кремния: Si - C, Si = C, Si = C, Si - Si, Si = Si, Si = Si, C - C, C = C, C = С.При этом возможны удлиненные одинарные связи, которые является дефектами наноструктурированного карбида кремния, но вносящие свою лепту в положение пика. Как правило, положение минимума пика ИК-спектра пропускания определяет некий вид связи, на который приходится максимум поглощения при определенной частоте, так пики колебания ТО и LO- фононов длягексагональных и ромбоэдрических политипах карбида кремния, от политипа к политипу практически не изменяются.

Значение поглощения излучения для карбида кремния________________Таблица 1

Характер колебаний Структура политипа карбида кремния

Гексагональный, ромбоэдрический Кубический

TO, см-1 768 790 796

LO, см-1 970 972

Для анализа спектра карбида кремния необходимо вычесть из спектра структуры карбида кремния на кремнии спектр кремниевой подложки (рисунок в).

Рисунок 6 - Спектр пропускания структуры карбида кремния

Согласно данным таблицы 1 и спектра пропускания пленки карбида кремния, где отчетливо видно четыре пика, соответствующие колебаниям Si - Si, Si - C, Si - O. Наличие широкого пика,обратная длина волны которого составляет (950-970) см-1, говорит о наличии поперечных колебаний в соединении углерода с кремнием, как гексагональной кристаллической решетки, так и кубической. Это нельзя сказать о пике, обратная длина волны которого соответствует 750 см-1. Здесь проявляются колебания гексагонального политипа, но сдвиг пика обусловлен наличием несвязанных молекул углерода с кремнием в кристаллическую решетку карбида кремния.

Выводы

По результатам экспериментальныхданныхИК-Фурье спектроскопии установлено, что, пленки карбида кремния содержат гексагональные и кубические политипы. При этом имеются несвязанные атомы кремния, углерода и других примесей, которые способны нарушать межслоевые связи в структуре карбида кремния. Изменения в очередности гомослоев приводит к существенному изменению свойств макроскопического материала.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, мероприятие 1.3.1.

ЛИТЕРАТУРА

1. Беленков Е.А.,Агалямова Э.Н. Исследование формирование политипов алмаза и карбид кремния // Вестник Челябинского гусударственного университета. 2009. № 24 (162). Физика. Выпуск 5.с.13-21.

2. Сонин А.С. Курс макроскопической кристаллофизики: Учебное пособ.: Для вузов.-М.: ФИЗМАТЛИТ. 2006.- 256 с.

3. Лебедев А. А. Центры с глубокими уровнями в карбиде кремния // Физика и техника полупроводников , 1999, том 33, вып. 2 с.129-153

4. Лучинин В., Таиров Ю. Карбид кремния - алмазоподобный материал// Наноиндустрия 1/10 с. 3640

5. Нусупов К.Х., Бейсенханов Н.Б., Валитова И.В., Дмитриева Е.А., Жумагалиулы Д., Шиленко Е.А. Структурные исследования тонких слоев кремния многократно имплантированных ионами углерода //Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 7, с. 1187-1198

6. Кардона М. Основы физики полупроводников / Пер. с англ. И.И Решиной. Под ред. Б.П. Захарче-ни. - 3-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.-560с.