Введение к работе
Актуальность темы
Важной задачей физики конденсированного состояния является получение и исследование тонких пленок. Изучение процесса их получения и фундаментальных свойств дает основу для понимания новых физических явлений, происходящие при разных условиях, как в самих пленках, так и в их подложках. Эффективное управление процессом получения пленок требует развития аппаратуры и методов высокоэффективного, неразрушающего и экспрессного контроля.
В магнитной подсистеме объемных мультиферроиков, находящихся в основном состоянии, обнаружен [1, 2] характерного размера 62 нм период так называемой циклоиды, которая экранирует магнитоэлектрический коэффициент в них, что сводит на нет практическую ценность этих объемных материалов. Для тонкопленочных структур [3], толщина которых менее 50 нм, эта проблема отсутствует, однако современные методы и технические средства для определения состава, атомной и тем более магнитной структуры тонких пленок, а также способы их получения нуждаются в развитии.
Метод высокочастотного газоразрядного напыления при повышенных давлениях газа /7-І торр [4] считается одним из наиболее перспективных методов напыления пленок. Его преимущество состоит в том, что он обеспечивает появление механизма подавления генерации точечных дефектов в пленках. В результате имеется, с одной стороны, возможность получения кристаллических плёнок с заданными параметрами без их последующего отжига, а с другой - существенно упрощается текущий контроль самой технологии получения пленки, то есть возможно фундаментальное исследование динамики формирования гетероэпитаксии на поверхности монокристаллической подложки.
При исследовании процесса напыления обычно используются серии пленок, полученных при одинаковых технологических условиях, но с разным временем напыления. Пленка на каждом этапе напыления может рассматриваться как его своеобразный срез, что позволяет наблюдать изменения элементного состава и структуры пленок от времени напыления, а также структуры поверхностного слоя подложки, который подвергается ионной модификации под воздействием напыляемых ионов. Определяющим для качества пленки является начальный этап ее «слоевого эпитаксиального роста» на монокристалле [4] в камере газового разряда. Понимание его механизма позволит развивать технические средства текущего контроля технологии приготовления пленок.
Поскольку средняя скорость напыления гетероэпитаксиальных пленок 5...10 нм/мин, то за первые 5 мин могут образоваться пленки толщинами до 30...50 нм. Традиционные рентгеновские методики исследования тонких пленок на начальной стадии напыления требуют либо мощных источников синхротронного излучения [5], либо перенесения технологического процесса получения пленок непосредственно в зону синхротронного излучения [6], что не всегда доступно. Развитие метода рентгеновской энергодисперсионной дифракции позволяет в более доступных условиях, в одном эксперименте, на одном приборе экспрессно качественно изучать изменение элементного состава и структуры пленки, а также структуры поверхностного слоя монокристаллической подложки.
Таким образом, тема диссертации, посвященная, исследованию динамики поверхностного слоя монокристаллических подложек при газоразрядном напылении на них серий оксидных и металлических пленок, полученных в одинаковых технологических условиях, но при различном времени напыления, а также развитию рентгеновского метода контроля процесса напыления, является актуальной.
Цель работы: выявить закономерности качественного изменения структуры и элементного состава монокристаллических подложек в процессе
напыления на них пленок в высокочастотном газовом разряде, разработав необходимые новые методики исследования.
Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие основные задачи:
Модернизировать рентгенооптическую схему спектрометра DX-95 (фирмы EDAX) и разработать методику регистрации комбинированных спектров (РЭД и РФА) серии монокристаллических подложек с увеличивающимся временем напыления на них пленок.
Модернизировать рентгенооптическую схему универсального рентгеновского дифрактометра для исследования методом РЭД серии монокристаллических подложек с увеличивающимся временем напыления.
Выявить и исследовать качественное изменение структуры поверхностного слоя монокристаллических подложек при напылении на них в течение различного времени серий оксидных и металлических пленок.
Объекты исследования:
BSTV/LaAlCb - серия плёнок, полученных при распылении поликристаллической мишени твердого раствора состава Вао^Го^ТЮз с перовскитовой структурой;
W//MgO - серия пленок, полученных при распылении мишени металлического вольфрама.
Научная новизна и значимость работы
Впервые экспериментально:
комбинированным структурно - спектральным методом качественно исследованы серии монокристаллов, на которые в течение разного времени напылялись пленки;
обнаружено изменение структуры поверхностного слоя монокристаллов на начальном этапе напыления на них пленок;
разработана методика качественного структурно - элементного анализа поверхности монокристаллов, основанная на одновременной регистрации дифракционных рефлексов и флуоресцентных линий.
Практическая значимость работы
Предложенный комбинированный структурно - спектральный метод может применяться для выявления закономерностей качественного изменения структуры и элементного состава монокристаллических подложек в процессе напыления на них тонких пленок. Этот метод позволяет в одном измерении одновременно регистрировать флуоресцентные линии и брэгговские рефлексы от исследуемого монокристалла, что существенно повышает достоверность результатов и позволяет более обоснованно контролировать и развивать технологию получения пленок на монокристаллических подложках.
Основные научные положения, выносимые на защиту
1) При газоразрядном напылении на грань (001) ЬаАЮз пленки состава
Bao.8Sr0.2Ti03 и W - на грань (001) MgO существует зависимость
интенсивностей брэгговских рефлексов монокристаллической подложки от
времени напыления пленки. Основной вклад в эту зависимость вносят
среднеквадратичные отклонения атомов подложки от их центров тяжести.
2) Предложенный рентгеновский комбинированный метод
качественного исследования структуры и состава поверхностного слоя
кристаллической подложки для исследования процесса формирования на
этой поверхности пленки позволяет в одном измерении получать
информацию о структуре и элементном составе локального участка
подложки с пленкой.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы докладывались на следующих
конференциях, семинарах и симпозиумах: всероссийских/VI Всерос. конф. по
рентгеноспектральному анализу с международным участием (к 100-летию со дня рождения М.А.Блохина) Краснодар 2008.; VII Нац. конф. «Рентгеновское, синхротронное излучения, нейтроны и электроны для исследования наносистем и материалов. Нано-био-инфо-когнитивные технологии», Москва, 2009; VI Всерос. конф. по анализу объектов окружающей среды, Йошкар-Ола, 2009;Ш Всерос. конф. (к 175-летию со дня рождения Д.И. Менделеева), Краснодар, 2009, и международных:!! Междунар. конф. по рентгеновскому анализу, Монголия, Улан-Батор, 2009; Междунар. междисциплинар. симп. «Среды со структурным и магнитным упорядочением» (Multiferroics -II), г. Ростов-на-Дону - Лоо, 2009.
Личный вклад автора в разработку проблемы
Автор, совместно с научным руководителем Дуймакаевым Ш.И. и научным консультантом Ковтуном А.П., поставил цели и задачи исследования, выявил особенности динамики морфологии поверхности монокристаллических подложек при увеличении времени напыления пленок, сформулировал основные результаты и выводы, а также основные научные положения, выносимые на защиту, проводил измерения и расшифровку рентгеновских спектров всех исследованных подложек. Все образцы исследуемых плёнок были приготовлены Толмачёвым Г.Н., Зинченко СП. и Мухортовым В.М., для напыления которых керамические мишени были предоставлены Резниченко Л.А. и Разумовской О.Н. Получение рентгеновских дифракционных данных о монокристаллических подложках выполнены при участии Буниной О.А. Соавторы совместных публикаций, а также Сахненко В.П., Свиридов Е.В., Абдулвахидов К. Г. и Захарченко И.Н. принимали участие в обсуждении полученных результатов. Полупроводниковая система регистрации рентгеновского излучения предоставлена Сарычевым Д.А.
Публикации по теме диссертации. Всего опубликовано 11 статей и тезисов докладов, в том числе 2 статьи - в российских рецензируемых журналах из Перечня ВАК РФ, и подана 1 заявка на патент на изобретение.
Объём и структура работы
Работа состоит из введения, 3 глав и заключения, изложенных на 110 страницах, и содержит 38 рисунков и список цитируемой литературы из 52 наименований.
