Введение к работе
" rA;v; 1- .
іссергацкйі
Основой большинства современных твердотельных приборов служат структуры, состав и свойства которых плавно или резко меняются по крайней мере по одной из' координат.
С физической и практической сторон наиболее интересными является ситуации, когда в отдельных слоях или многослойных композициях проявляются эффекты, связанные с резонансным отрахением от границ раздела электронов, нейтронов, электромагнитных или спиновых волн, то есть композиции из пленок с толщинами от мономолекулярного слоя (3-5 Я ) до нескольких сот ангстрем. Используя их, можно создавать рентгеновскую и нейтронную оптику, квантовые и магнитные сверхреиетки.
Очевидно, что метод, позволяющий изменять состаз или свойства кристалла на масштабах, сравнимых с периодом решетки, при достаточной производительности обеспечит решение практически любой задачи, связанной с синтезом искусственных материалов. Здесь лидирующую роль играют вакуумные методы - различные варианты напыления пленок, молекулярно-пучковая эпигаксия и ионное внедрение примесей. Их отличие друг от друга в конечном счете заключается в интенсивности потоков и кинетической энергии отдельных частиц (кластеров, молекул, атомов или ионов), поступающих на поверхность подложки.
В этом плане использование эрозионной лазерной плазмы представляется весьма привлекательным, так как позволяет получать потоки частиц самой различной энергии и с интенсивностью, не достижимой при других методах.
В начале работы достаточно понятной была возможность использовать для испарения материалов излучение непрерывных лазеров. И хотя первые попытки применить импульсные лазеры для формирования пленок были сделаны
практически сразу после их появления [1 , 2*] , о перспективности этого направления можно было только строить предположения, основываясь на анализе процессов, наблюдавшихся при других, более подробно исследованных к этому времени импульсных методах испарения - горячей стенки и взрывающихся проволочек [3 , 4*] . Многое казалось привлекательным, но многое и вызывало сомнения.
Высокая скорость поступления конденсата позволяла рассчитывать на двумерный механизм роста пленок; локальное воздействие и возможность использовать для испарения короткие импульсы излучения -' на сохранение в пленке исходного состава мишени; высокая температура в фокальном пятне - на применение метода для широкого клас-. й& материалов.
Не меньше было и сомнений, связанных в основном с неоднородностью состава продуктов эрозии (от ионов до капель) и сильной неравновесностью метода, и то и другое должно было сказаться на качестве пленок.
Можно очертить круг задач, решение которых позволило бы судить о перспективности лазерного метода. Так как все стадии процесса формирования пленок связаны
1* Smith Н.М..Turner A.F. Vakuum depositea thin films using a ruby laser // Appl.Ort. 1965. V. 4. N 1.
2 Захаров В.П.,Пилянкёвич А.И.. Чучаев В.Н. Об использовании излучения оптимального квантового генератора для напыления ферритовых пленок // Электронная техника. Сер. 4, Микроэлектроника,'1967. В. 4.
3* Петросян В. И., Дагман Э. И. Эпитаксиальная кристаллизация в вакууме при больших пересыщениях // Проблемы эпитаксик полупроводниковых пленок. Новосибирск: Наука. 1972. С. 136.
4 Александров Л. Н. Кинетика образования и структура твердых слоев. Новосибирск: Наука, 1972. С. 130.
между собой, можно было начать с любой, чтобы через некоторое время вернуться к ней пройдя через остальные. Если начинать с исследования получающихся структур, следует попытаться связать их свойства с процессами, происходящими под действием плазмы на поверхности твердого тела, которые, в свою очередь, являются следствием событий в возмущенной столкновением с преградой плазме. Для того, чтобы разобраться в этих процессах, необходимо исследовать явления, сопровождающие разлет плазменного сгустка, сформировавшегося над поверхность» мишени во время действия импульса лазерного излучения. Параметры исходного плазменного сгустка определяется длительностью, длиной волны, интенсивностью лазерного излучения, размером облучаемой области, а также материалом мишени. Если результаты исследования полученных структур в чем-то не отвечают ожидаемым, необходимо вмешаться на одной из более ранних стадий. В первую очередь это относится к условиям облучения мишени, что связано с решением задачи управления лазерным излучением.
Целью работы было создание физических основ лазерно-плазменной технологии, для чего пришлось проводить исследования в следующих, весьма далеких друг от друга областях:
- лазеры и управление пространственными и временными
характеристиками их излучения;
взаимодействие лазерного излучения с мишенями;
процессы в разлетающейся плазме и плазме возмущенной столкновением с подложкой;
явления в кристаллах, облученных интенсивными ионными потоками;
рост пленок в условиях сильного пересыщения;
анализ полученных пленок и структур, включающий следующие разделы: исследование рассеяния рентгеновского излучения на пленках и многослойных структурах, иссле-
дование структурных, оптических и электрофизических свойств сверхтонких полупроводниковых пленок и сверхрешеток, . исследование свойств пленок простых и сложных окислов, в том числе и высокотемпературных сверхпроводников.
Исследования в этих областях велись многими научными группами в СССР и за рубежом. Однако предлагаемая работа является первой, в которой систематически рассмотрены все аспекты,' необходимые для создания лазерно-плазменной технологии. В результате собственных исследований и обобщения фактов, полученных другими, развито новое научное направление - синтез и модификация " материалов лазерно-плазменным методом.
На зашиту выносятся идеи и закономерности, составляющие основу этого направления.
-
Модификация приповерхностных слоев монокристаллов, формирование сверхтонких пленок и многослойных структур требуют точной манипуляции малыми дозами вещества -1013- -1014 атомов или ионов на квадратный сантиметр. Это можно осуществлять с помощью микровзрыва части мишени сфокусированным излучением импульсного лазера.
-
Взаимодействие излучения лазера с мишенью и перенос продуктов эрозии на подложку при определениях условиях сопровождается процессами, уменьшающими зависимость дозы вещества, поступающей н&> единичную площадку, от параметров лазерного импульса. Таковыми являются экранировка мишени плазмрй и уширение диаграммы разлета при увеличении интенсивности излучения. Благодаря этому синтез многослойных структур можно вести по программе без непрерывного контроля толщины осажденных слоев.
-
Вахгейшей характеристикой процессов лазерно-плазменной технологии является энергетический состав ионов и нейтральных частиц лазерного факела. Управление энергетическим спектром возможно как на стадии образования плазмы путем выбора режима облучения мишени, так и во
время пролета плазмой расстояния между мишенью и подложкой. В последнем случае следует использовать различные методы торможения или'разгона частиц и разделение направлений разлета "быстрой" и "медленной" частей лазерного факела.
-
В зависимости от энергии поступающих на поверхность подложки частиц существует два кардинально отличных друг от друга процесса. Если в лазерном факеле превалируют "быстрые" частицы, кинетическая энергия которых превышает энергию, необходимую для выбивания атомов из кристаллической решетки, реализуется процесс модификации (легирования или компенсации) приповерхностных слоев подложки. Если лазерная плазма целиком или большей частью состоит из низкоэнергетнчных частиц, основным процессом является синтез. В этом случае возможно формирование отдельных пленок или многослойных структур.
-
Кодификация вклшает два явления - мелкое внедрение примеси и разгонку. В отличие от обычно используемых методов ионного легирования существенную роль играет радиационно стимулированная диффузия и нелинейно зависимые от интенсивности потока частиц процессы. Управление режимом облучения позволяет получать суб-микронные слои материала с заданной концентрацией активной примеси.
-
Сильная неравновесность процесса осаждения в случае отсутствия у подложки ориентирующих свойств обеспечивает формирование аморфных или мелкодисперсных пленок, что отвечает возможности получения минимальных неровностей на границах разделов слоев материалов, взаимная эпитаксия которых невозможна. Использование сверхструктур из аморфных слоев может быть оптимальным, если рассеяние падающих на них потоков связано с взаимодействием с электронами, находящимися на внутренних орбитах, или ядрами, т. е. в рентгеновской и нейтронной оптике.
-
На ориентирующих подложках лазерно-плазменным методом
возможен синтез эшггаксиальных слоев. Следует отметить мощный фактор, способствующий зпитаксиальному росту пленок. Когда время пролета плазмой расстояния мишень -подложка много превосходит' длительность лазерного импульса, первыми прилетают наиболее быстрые частицы, которые способны выбивать атомы из приповерхностного слоя. Образовавшиеся таким образом вакансии служат дополнительными центрами кристаллизации для поступающей затем основной массы вещества. Поэтому образование пленки идет на поверхности с искусственно наведенным потенциальным рельефом, при этом числом центров кристаллизации можно управлять, меняя количество быстрых ионов.
8». Результатом взаимодействия лазерной плазмы с поверхностью твердого тела являются двумерные структуры, >многие из которых были получены впервые. В работе построены модели, связывающие физику роста со структурой и морфологией пленок и структуру с оптическими и электрофизическими их свойствами.
Построение физических основ лазерно-плазменной технологии потребовало проведения оригинальных исследований по всем направлениям, перечисленным при изло-жгчии цели работы.
Лазеш а управление излунаниеи. - предложен и исследован новый способ модуляшш добротности резонатора основанный на эффектах самофокусировки и вынужденного рассеяния Мандельштама-Брвллюэна; предложен и исследован способ коррекции и пространственного распределения энергии в лазерном пятне, основанный на преобразовании излучения статистическим фазовым экраном, коррекции огибалцей аберрационной линзой и усреднении мелкомасштабных неоднородностей за счет перестройки частотных, пространственных или временных характеристик лазерного излучения.
Взаимодействие, излучения вееестврм - исследованы
механизмы образования факела при воздействии ограниченных лазерных пучков с различными длительностями импульсов излучения и длинами волн, на поглощагвде, прозрачные и рассеивавшие мишени; обнаружены неустойчивости различной природы, приводящие к формированию двух максимумов в энергетическом спектре частиц эрозионной плазмы при облучении мишеней излучением неодимового и СО лазеров; обнаружены и исследованы механизмы отрицательной, обратной связи, приводящие к стабилизации дозы вещества, попадающей на единичнус площадку подложки.
Исследование здсшшнай. плазмы и. взаимодействие. плазмы с. поверхностью кристаллов - получено распределение частиц (ионов, нейтральных атомов и молекул) в наиболее важной для лазерной технологии области параметров излучения; обнаружена область термализованной плазмы у поверхности подложки, определены условия ее возникновения, времена образования и распада; предложены некоторые способы управления составом эрозионной плазмы, в частности методы сепарации макрочастиц и быстрых ионов; исследоЕаны процессы в кристаллах, облученных интенсивными импульсными потоками дефектообразуюших частиц, обнаружено возбужденное состояние приповерхностных слоев, характеризующееся увеличением коэффициента диффузии на несколько (до 10) порядков по сравнению с равновесной; показана возможность эпитакси-ального роста пленок из эрозионной лазерной плазмы, в том числе формирование сверхтонких (-10 8) сплошных монокристаллических слоев; обнаружена возможность ориентированного роста пленок на кристаллических поверхностях, закрытых тонкими (10 - 30 R) аморфными пленками.
Получение И. Исследование ИНВеРСНЫХ. ОЛ023. И пленочных, структур - исследованы свойства сверхтонких пленок InSb, CdTe, РЬТе и других, полученных методом лазерной эпи-таксии; построены квантовые сверхрешетки на основе не
использовавшихся ранее для этих целей пар материалов InSb-CdTe, InSb-PbTe, Bi-CdTe; получены и исследованы квантовые решетки нового типа с аморфными барьерными слоями; обнаружено и исследовано явление радиационно стимулированного отжига; получены и исследованы гетеро-эпитаксиальные структуры из слоев высокотемпературных окислов 2г02. SrTi03 и др. на бинарных полупроводниках (GaAs); подучены м исследованы дисперсионные м отражающие рентгеновские покрытия; в приближении малого рассеяния построена теория многослойных рентгеновских зеркал с неровными границами раздела слоев; получены и исследованы инверсные слои кремния с оптимальным для преобразователей солнечной энергии профилем лигатуры; исследо-вйно влияние деформации на рост и рекристаллизацию пленок, показана возможность получения монокристаллических пленок на аморфных подложках; получены и исследованы монокристаллические пленки высокотемпературных сверхпроводников.
Создание физических основ лазерно-плазменного метода позволило разработать ряд напылительных установок, которые были выпущены в единичных экземплярах или малыми сериями. В настоящее время лазерно-плазменныи метод яьляется одним из основных в производстве многослойной рентгеновской' оптики и .пленок высокотемпературных сверхпроводников.
Результаты работы содержат информацию,представляющую интерес для многих разделов физики, и, соответственно, докладывались на очень большом числе конференций, семинаров и совещаний, общее количество которых в настоящее время не представляется возможным восстановить. Так, последние 10-15 лет по ним регулярно делались приглашенные доклады на конференциях по оптике лазеров, . по нерезонансному взаимодействию излучения с веществом, по синхротронному излучению. Докладывались они также на всесоюзных и международных конференциях по физике
лазеров, когерентной и нелинейной оптике, кристаллографии, полупроводникам и высокотемпературной сверхпроводимости.
Некоторым образом итоговым был 1984 год. когда авторои были сделаны обзоры результатов на Научной сессии отделения общей физики и астрономии и отделения ядерной физики АН СССР, а такае на Президиуме АН СССР. Результаты по высокотемпературной сверхпроводимости докладывались Государственной комиссии и на заседаниях Научного совета по проблеме ВТСП и его секций. Образцы пленочных структур и приборов на их основе демонстрировались на многих всесоюзных.и международных выставках.
Работы по лазерному синтезу и иодификащш материалов были начаты по инициативе автора и выполнялись под его руководством. В исследованиях, вошедших в диссертацию, автору принадлежат основные идеи, постановка научных задач, анализ и обобщение полученных результатов. Он такге участвовал в разработках методик исследования, создании технологических и измерительных комплексов, проведении теоретических расчетов и экспериментов.
По представленным на защиту материалам автором опубликовано более 100 работ. В докладе приведены ссылки на основные публикации.
2.1.Построение лазеров и управление пространственными и временными характеристиками их излучения.
Идеальным инструментом для исследования взаимодействия излучения с веществом был бы перестраиваемый по длине волны и длительности импульса лазер с большой (>1 Да) энергией в импульсе, равномерным ее распределением в пятне излучения и высокой средней мощностью. Ввиду невозможности удовлетворить всем этим условиям были выбраны основные: энергия до 4 Дж, управление дли-
тельностью от 10"9 с до 10~6 с, равномерное с точностьо до 5 - 7 У. распределение энергии в зоне воздействия и дискретный набор длин волн - 0,53 мкм, 1,06 мкм. 10,6 мкм. . Большая энергия "в импульсе позволила в широких пределах варьировать размер области взаимодействия, равномерность в зоне облучения - получать достоверные результаты, управление длительностью - выбрать оптимальный режим, а набор длин волн - выявить два характерных типа взаимодействия. Основные исследования были проведены на лазере с прямоугольным активным элементом из стекла Nd3*". Описанная в [1,2] конструкция Оказалась достаточно удачной, так что использовалась практически во всех технологических установках для проекционной обработки материалов и лазерного напыления пленок [3,4,5]. Не меньшуо роль сыграло и устройство для повышения равномерности пространственного распределения энергии излучени" лазера [6]. Идея его заключается в .создании независящего от первоначального распределения интенсивного пучка с гауссовой огибающей путем пропускания исходного излучения через фазовый экран, исправления огибающей на прямоугольную с помощью аберрационной линзы и усреднения локальных неоднородностей за счет естественной нестабильности параметров лазера. Часть исследований проводилась с использованием модуляции добротности излучения лазера за счет эффекта самофокусировки и ВРМБ [7, 8,9, ]. В этом случае в разюстированный резонатор помещалась кювета с органическим растворителем. В начале добротность резонатора увеличивалась за счет возникновения положительной линзы из-за самофокусировки суперлшинесиеншш. затем включался допог.лительный механизм положительной обратной связи на ВРМБ-зеркале [5*. 6*] . Этот ze эффект приводил к сущест-
5* Pohl D. // Phys.Lett. 1967- V.24A. P.239.
б" Тихонов Е. к. .Шпак М. Т.//Письма в 1ЭТФЛ968.Т.8.С.282.
венному выравнив-нио распределения интенсивности [7 , 8*] , так что в рассматриваемом генераторе необходимости в использовании .фазового корректора не было. В [10] показана возможность использования ВРМБ-зеркал для защиты элементов оптической схемы. Возможность формирования коротких импульсов в лазерах с малым коэффициентом усиления показана в [11]. где используется акустическая модуляция длины связанного с активным дополнительного резонатора Фабри-Перро. Исследования по легированно и компенсации приповерхностных слоев полупроводников" проводились с использованием TEA-СО - лазера [9 ] .
2.2. Взаимодействие лазерного излучения с веществом и формирование лазерного факела.
Непременным условием, позволяющим говорить о возможности использования лазерно-плазменной технологии, является отсутствие в поступающих на поверхность подложки продуктах эрозии крупных частиц - кусков материала мишени или капель. Эти макрочастицы могут образоваться при взрыве на поверхности мишени, конденсироваться при охлаждении разлетающегося газа или плазмы или вследствие возникновения пересыщения в области столкновения потока плазмы (газа) с каким-либо препятствием, например, с подложкой.
7* Соскин U. С., ПогорецкиЙ П. П., Грязнов Ю. М., Лебедев 0. Л. // Журнал прикладной спектросхопии. 1970. Т. 12. С. 740.
8* Schwartz J..Naiman С.S.,Chang R.К. // Appl.Phus. Lett. 1967..V.11. P.242.
9* Dumanchin R..Hichon M. .Farcy I.C..Boundinet G., Rocca-Serra J. Extension of TEA СОг-laser capabilities. // JEEE Journal of Quantum Electronics. 1972. QE-8. N2. P. 480.
Рассмотрим различные случаи образования макровклю-чений и условия, этому препятствующие. При испарении сильно поглощающих материалов - металлов или полупроводников и диэлектриков, 'ширина запрещенной зоны которых меньше энергии кванта излучения, происходит их поверхностное испарение. Достаточным условием отсутствия выброса жидкой фазы с поверхности мишени является достижение некоторой интенсивности, при которой слой расплава становится минимальным вследствие того, что граница испарения догоняет волну теплопроводности [10 ] . Для большинства материалов это наблюдается при интенсивности ~ 109 Вт/см2. Близкая к рассмотренной ситуация возникает с широкозонными материалами, поглощение в которых быстро увеличивается с ростом температуры. Когда нельзя выполнить приведенные выше условия, возможно использовать некоторые способы сепарации макровключений, однако в фобом случае необходимо, чтобы основная часть продуктов лазерной эрозии находилась в виде газа или плазмы.
В работе [12] рассматривается возможность испарения непоглощающих в линейном приближении материалов. Показано, что динамика разрушения мишени определяется соотношением между длительностью импульса тц и временем релаксации давления то- Наиболее благоприятным для испарения является медленный нагрев: т >>т . Теоретически "и экспериментально рассмотрена возможность локализации области выделения энергии за счет использования ..-рассеивающих излучение мишеней. В [13] определены условия закалки газового потока при пролете точки росы. Рассмотрены варианты геометрии облучения мишени, делающие невозможной конденсацию и при нарушении этих условий. Предложен метод газоди-
10* Анисимов С. И., Имас Я. А., Романов Г. С., Ходыко Ю. В. Действие излучения большой мощности на металлы // U.: Наука.. 1970.
намической сепарации макровключения. Метод заключается в столкновении двух инерционно разлетающихся газовых или плазменных потоков. В зоне столкновения возникает область с хаотическим .движением атомов или ионов, которую, не задерживаясь, пролетают обладающие большей кинетической энергией более крупные частицы..
Теоретически и экспериментально определены требования к геометрии и интенсивности пересекающихся потоков.
Определяющую роль в процессах на поверхности подложки играет энергетический спектр лазерной плазмы. Во время пролета расстояния от мишени до подложки в плазме происходит разделение частиц по скоростям, формирование угловой диаграммы разлета, релаксационные и рекомбинаци-онные процессы. В [11 ",12 ,14,15,16] экспериментально исследована динамика эрозионной лазерной плазмы на стадии инерциального разлета в вакуум. Найден энергетический спектр заряженных и нейтральных частиц. Для типичных в случае'лазерного напыления пленок параметров излучения спектр имеет два максимума в районе 10 и 100 эВ. В [17] рассмотрен . возможный механизм формирования такого распределения. В нем связываются особенности энергетического спектра и рельеф, формирующийся на поверхности мишени. Оба явления объясняются неустойчивостью фронта испарения в условиях интенсивного поглощения плазмой лазерного излучения. С явлением экранировки связаны особенности, позволяющие точно дозировать количество материала, поступающего на единичную площадку подложки [18,19]. Толщина испаренного . за один импульс излучения слоя Н пропорциональна интенсивности в
1-1 Быковский Ю. А., Дудоладов А. Г.. Дегтяренко Н. Н. и др. // ЮТФ. 1969. Т. 56, N16. С. 1819-1822.
12* Быковский D. А. .Козырев Ю. П., Сильное С. М., Шарков Б. Ю. // Квант, электр. 1974. Т.1, N3. С. 709-711.
фокальном пятне в степени 1/2, что уже уменьшает зависимость от нестабильности работы лазера. Дополнительная компенсация связана с расширением диаграммы разлета продуктов эрозии, которая определяется остатком тепловой энергии к началу неодномерной стадии разлета [13 ] . Подробное исследование зависимости диаграммы разлета от параметров лазера и материала мишени приведено в [15]. Экспериментально показано, что существует сравнительно широкая область параметров q = 3 * 4 109 Вт/см2, в которой наблодается практически полная стабилизация дозы вещества.
Ч Не менее важным является адекватный мишени элементный состав переносимого в плазменном факеле материала. Сохранение элементного состава подтверждено в [20],. где на основании указанного свойства продемонстрирована .возможность проведения микроанализа на лазерном масс-спектрометре [14*] .
Плазмообразование при воздействии на мишени излучения TEA СО лазера существенно отличается- от наблюдаемого в случае облучения в видимом и ближнем ИК диапазонах. В [21,22] исследованы энергетическая и пространственно-временная структуры лазерного факела. Ос' іаруженьї два качественно различных режима выброса плазмы с пороговым по интенсивности облучения переходом между ними. Вид зависимости порога от атомного номера элемента указывает на связь динамики формирования факела с электронной структурой атома. Нестабильность связана с
-
Немчинов И. В. Разлет трехосного газового эллипсоида в регулярном режиме // ПММ. 1964. Т. 29. С.134.
-
Быковский D.А., Васильев Н. U., Дегтяренко Н. И., Не- волин В. Н. 0 возможности определения стехиометрического состава на масс-спектрометре с лазерным источником ионов. // ЖГФ. 1972. Т. 12. В. 8.
просветлением плазмы при увеличении температуры в областях значений, характеризующихся полным отрьшом электронов с внешних оболочек. Сравнительно компактное распределение ионов по энергиям - следствие квазистационарного регима нагрева плазмы излучением, так как длительность импульса С02-лазера тц * Ю^с много больше пролета ионами освещенной области. Ростом поглощения в плазме с увеличением длины волны излучения объясняется сравнительно высокая средняя энергия ионов и малый вынос вещества.
2.3. Взаимодействие лазерной плазмы с конденсированной средой. Процессы в плазме.
Вопросы взаимодействия лазерной плазмы с конденсированной средой обсуждаются так или иначе во всех работах по лазерно-плазменной технологии. В этом разделе рассмотрено влияние столкновения на эволюцию плазменного факела. События на поверхности подложки.или экрана обсуждается лишь в объеме, необходимом для понимания явлений в плазме.
Возмущение в сталкивающемся с преградой потоке плазмы всегда связано с появлением встречного потока частиц, вызванного десорбцией падающего, или ионным распылением подложки [15 .16 ,17 ] . При небольшой плотности потоки пронизывают друг друга, не взаимодействуя. Такая ситуация может привести к уходу более летучей компоненты при росте пленки или даже к ионному травлению подложки. Однако в большинстве случаев интенсивность импульсных потоков такова, что в течение всего плазменного импульса или его части потоки взаимодействуют и вблизи
15* Демченко П. А. .Крупник ЛИ. // ЖТФ. 1973. Т. 46. С. 2333. 16" Осадин Б. А., Русаков Н. В. //ЖТФ. 1974. Т. 44. С. 477. 17* Плешивцев Н. В. Катодное распыление // М.: Атомиздат. 1968.
поверхности образуется область с повышенной температурой и концентрацией частиц. Ситуация, когда за формирование встречного потока ответственно ионное распыление, теоретически и экспериментально исследована в [23]. В работе определены условия, когда у поверхности подлокки образуется термализованная плазма. Определены основные характеристики этой области: размер, состав и концентрация частиц, динамика ее образования и распада. Выяснено влияние состава и энергетического спектра частиц в плазменном факеле на процессы в приповерхностнрй области.
Влияние этого явления на формирование пленок чрезвычайно велико. Образование области повышенного давления пірлисходит на. самом начальном этапе - сразу по приходу лидирующих, быстрых ионов и нейтральных частиц. Поэтому все процессы, связанные с осаждением материала, происходят фз этой области 24] и сам ее распад связан со стоком Частиц на поверхность подложки.
Вариант формирования приповерхностной области вследствие реиспарения или десорбции рассмотрен в [25]. Очевидно, размер и время ее существования зависят от присутствия в лазерном факеле веществ, которые летучи прм низкой температуре. Это явление может быть использовано с положительный эффектом для формирования однородного по составу газового потока [26,27,12] при напылении полупроводников и диэлектр'иков, в частности в режиме миллисекундных импульсов, когда в лазерном факеле практически всегда присутствуют крупные включения. В этом случае поток продуктов лазерной эрозии можно направлять на нагретый экран, отражаясь от которого, он попадает на подложку. Так получается своеобразный метод горячей стенки, в котором дозировка и транспортировка материала осуществляется с помощью лазерного микровзрыва.
Часто десорбция играет отрицательную роль, затя-
гивая время существования у подложки области с сильным пересыщением, что способствует объемной конденсации и .появлению купель.
2.4. Взаимодействие плазмы с конденсированной средой. Процессы в приповерхностных слоях кристаллов.
Прежде чем рассматривать формирование пленочных структур, необходимо обсудить явления, происходящие в кристаллах под действием интенсивного облучения сравнительно быстрыми (102-Н.03эВ) ионами. Первыми на поверхность подложки попадают наиболее быстролетящие ионы. В режиме, обычно используемом для напыления пленок А=1,06 мкм, т =3 10"9 с, W=2*4 Дж, я=109Вт/см2, появление . их связано с газодинамическим разгоном и электростатическим ускорением ионов периферийной области факела более подвижными электронами 1S ] .
Сформированный в квазистационарном режиме энергетический спектр частиц плазмы, образующейся при облучении мишеней излучением TEA СО 2 - лазера А=10.6 мкм в основном сосредоточен в диапазоне 102 ^-103 эВ. То есть, если не принимать специальных мер по сепарации быстрых частиц или их торможению, в плазме всегда будет иметься компонента, занимающая по энергии промежуточное положение между типичным режимом термического распыления (0,1 эВ) и ионной имплантацией (104 * 105 эВ) с кинетической энергией частиц Е, намного превосходящей энергию связи атома в кристаллической решетке Е ~ 20эВ.
С точки зрения действия на поверхность, -условие Е»Е означает, что частицы эрозионной плазмы способны внедряться в приповерхностный слой подложки. При напылении многослойных структур типа рентгеновских зеркал это приводит к перемешиванию материалов на границе раздела слоев и ухудшению отражающих свойств
18* Быковский А. Ю.. Дегтяренко Н. Н., Елесин В. Ф. и др. // ЯТФ. 1973. Т. 43. С. 2540.
рентгеновского зеркала.
В кристаллах вследствие внедрения смещаются атомы из узлов решетки и, таким образом, генерируются пары вакансия - атом в междоузлие. В виду того что интенсивность потока быстрых частиц и, следовательно, интенсивность генерации пар, могут быть очень велики, это явление при некоторых обстоятельствах становится определяющим, как для роста пленок, так и для свойств приповерхностных слоев кристаллов, когда условия облучения подобраны таким образом, что рост пленок исключается.
С помощью облучения лазерной плазмой можно модифицировать приповерхностные слои полупроводниковых ОХруктур. Хотя ширина области генерации дефектов R для ионов с энергией і 103эВ не превосходит ~ 50 ft, неравновесные вакансии, обладая подвижностью, инжектируются в <5олее глубокие -:лои кристалла [28,29]. В результате "взаимодействия неравновесных вакансий друг с другом и примесями электрофизические и оптические свойства приповерхностного слоя полупроводника могут изменяться. Поскольку плотность потока лазерной плазмы достигает значений 1018 - Ю20 см"2с-1, ее действие приводит к формированию на поверхности сшьно возбужденного слоя. Глубина этого слоя определяется диффузионной длиной вакансий L » R, величина которой зависит не от энергии частиц лазерной плазмы, а от вида кристалла и его температуры. Это обстоятельство позволяет использовать низкоэнергетичные частицы для управления свойствами слоев толщиной в 1000*3000 ft. Изменение свойств связано с активацией в возбужденной области процессов, скорость которых определяется частотой столкновения подвижных вакансий с примесями. К числу их относятся: диффузия легирующих примесей, образование электрически активных комплексов дефектов, компенсируюшіх и рекомбинационных центров. При моделировании этих
процессов необходимо учитывать, что плотность потока лазерной плазмы на 3 - 4 порядка выше, чем у традиционных источников низкоэнергетичных ионов [19*] . В результате количество неравновесных вакансий возрастает настолько, что существенными становятся реакции ' нелинейные относительно их концентраций, например, образование дивакансни и мкоговакансконных комплексов с участием атомов примеси. Эти реакции могут приводить к накоплению в кристалле спектра радиационных дефектов, существенно отличного от образуощегося при менее интенсивном облучении.
Реальное применение нашли две противоположные ситуации. Это создание субмикронных инверсных слоев в кремнии при облучении его плазмой из фосфорной мишени [28,29,30]. Слои отличаются крутым распределением лигатуры. Полученные структуры успешно использовались для изготовления преобразователен солнечной энергии [31].
Другая ситуация возникает при облучении GaAs ионами As [32,33.34,35 ]. При температурах образцов .350-500С в приповерхностной области образуются компенсированные слои, связанные с накоплением сложных комплексов типа дивакансия - атом донора. Компенсированные слон наили применение для защиты от поверхностных пробоев и утечек при изготовлении планарных приборов на основе GaAs.
Радиационно-стимулированную диффузию и образование комплексов необходимо учитывать при эпитаксиальном выращивании пленочных структур с использованием лазерной плазмы. Необходимо уменьшать количество быстрых ионов до некоторых допустимых пределов. -В [36] исследовано влияние быстрых ионов на рост пленок GaAs из лазерной плазмы. Определены ограничения на количество быстрых
19" Вопросы радиационной технологии полупроводников. /Под ред. Л. С. Смирнова Новосибирск, 1980. С. 2Q6.
ионов, обеспечивающие получение качественных структур.
До сих пор рассматривались явления в приповерхностных сдоях кристаллов, связанные с облучением интенсивными импульсными потоками быстрых частиц. Не менее сильно влияет облучение поверхности на начальную стадию роста пленок. Из процессов в твердом теле не был рассмотрен радиационно-стимулированный отжиг 37], но для его объяснения необходимы сведения, ' обсудить которые предполагается ниже. При исследовании закономерностей образования пленок из лазерной плазмы в ряде случаев было отмечено существенное, на 100-400, снижение температуры зпитаксии {38, 39, 40, 41, 42]. У этого явления можно выделить несколько причин.
Во-первых, это кратковременное, нефиксируемое термопарой увеличение температуры поверхности вследствие дополнительного нагрева плазменным импульсом [20 ] . Величин* дополнительного нагрева легко можно оценить, и в дальнейших рассуждениях она будет исключаться.
Во-вторых, выделение энергии связи при формировании пленок сложных соединений. В отличие от термического испарения любые, материалы под действием лазерного "мпульса диссоциируют. При разлете в ва^ум происходит закалка продуктов лазерной деструкции, и на поверхность, подложки в основном цопадают атомы и одноатомные ионы. Выделение энергии связи при образовании молекул обеспечивает последним дополнительную подвижность, что облегчает их встраивание в нужные места на поверхности подложки. Соответственно, наибольшее снижение температуры ориентированного роста наблюдается у веществ с наибольшей энергией связи. Так, эпитаксиальный рост пленок халькогенидов свинца возможен на подложках, охлак-
20 Быковский D. к., Дудоладов А. Г., Козленко В. П., Леонтьев П. А. // Письма в ЖЭТФ. 1974. Т. 20. С. 304.
денных до температуры жидкого азота [42].
Третий механизм непосредственно связан с возбуждение" поверхности быстрыми ионами. В результате их ударов атомы кристаллической подложки оказываются выбитыми со своих мест, в глубине они переходят в междоузлие, а с поверхности улетаог. Образовавшиеся таким образом вакансии могут мигрировать и объединяться в более сложные комплексы. В [43] сделана попытка оценить время, в течение которого необходимо поддерживать благоприятные условия,- чтобы адатомы успели встроиться в решетку подложки. Эксперимент показал, что адатомы должны сохранять подвижность по крайней мере в течение 5 10~5с. Конечно, это касается конкретного материала PbSe, подложки КС1 и конкретных, вполне определенных условий лазерного напыления. Однако время жизни одиночных вакансии намного меньше 10~г- 10~3с, и вряд ли они могут оказывать какое-либо влияние на образование пленки в любом случае. Другое дело - сложные комплексы, например дявакансии. Дефекты такого рода существует достаточно долго, обладает ориентирующим действием и могут служить дополнительными центрами кристаллизации для эпитаксиальнои пленки, гак как их положение совпадает с узлами решетки.
Эти предположения были перепроверены в [39]. Напыление- производилось в отклоняющем ионы электростатическом поле. На некотором расстоянии от мишени в одинаковых условиях располагались три фрагмента подложки. Электрическое поле прикладывалось в направлении, перпендикулярном разлету плазіш, в области, где плотность быстрых ионов такова, что радиус Дебая был порядка ширины факела. На основную часть плазменного сгустка отклоняющее напряжение влияния оказывать не могло из-за его большой плотности. Монокристаллические пленки вырастали только на фрагменте подложки, куда попадали быстрые ноны, на среднем фрагменте пленки были
текстурированные, а в обдасти, где полностью отсутствовали быстрые ионы, - поликристаллические.
Таким образом, наличие дополнительных центров кристаллизации позволяет при меньших температурах подложки, т. е. при перемещении адатомов на меньшие расстояния, получать монокристаллические пленки. Вследствие этого появляется возможность растить сплошные монокристаллические пленки очень малой толщины, близкой к мономолекулярной. Конечно, в них будет присутствовать определенное количество дефектов, но большей частью можно найти'компромисс и изготовить вполне удовлетворительные пленки и многослойные структуры для физических исследований [40,44.45,46]. Кроме того, не исключена, возможность улучшить их качества после напыления. В одном из последующих разделов будут рассмотрены некоторые методы улучшения их структуры.
Ориектируюсе действие потенциального рельефа Монокристалла существенно только на расстояниях, сравнимых с шагом решетки. Поэтому обычно эпитаксия наблюдается только на чистых поверхностях, и даже монослой разориентированных атомов подавляет процесс. На больших расстояниях {_ » RQ (R - радиус Дебая) будут существовать пс-.я только одиночных или достаточно разнесенных зарядок. Если их положение совпадает с узлами решетки, на таких ке расстояния* будет сказываться ориентирующее действие кристаллической поверхности.
Систему ориентирующих потенциалов можно создавать искусственно с помощью' потока ионов. Когда энергия ионов такова, что они проникают через неориентированную прослойку и образуют дефекты типа вакансий в погранично... слое монокристалла, то некоторое время, определяемое временем жизни дефектов, поверхность структуры будет обладать ориентирующими свойствами.
Естественным образом, описанная ситуация возникает при лазерном напылении.
Таким образом, появилась возможность изготавли-зать квантовые сверхрешетки с неориентированными барьерными слоями [47,48]. строить сверхструктуры, где проводящими и барьерными'слоями служат пленки одного и того же полупроводника, разделенного тонкими аморфными прослойками, растить монокристаллические пленки и сверхрешетки на произвольных подложках [49,50].
Одним из важных преимуществ лазерного напыления является возможность испарять материалы в газовой среде. Это позволяет компенсировать недостаток более летучей компоненты в сложных материалах и использовать мишени с неполным элементным составом, если это выгодно по причине их оптических, механических, химических или теплофизических свойств.
Большинство окислов прозрачны для излучения лазеров видимого и ближнего ИК диапазонов длин волн. Несмотря на это, существует некоторые возможности при лазерном напылении использовать диэлектрические мишени. Этот вариант был рассмотрен в [26,12]. В [51.37,26] используются металлические и полупроводниковые мишени, , а напыление ведется в газовой (0 ) среде. В этом случае основные закономерности лазерного напыления должны сохраняться, если фоновая среда не влияет на динамику разлета плазмы. .В принятой . геометрии это условие выполняется при давлении кислорода в камере до р ~ 10~2мм рт. ст. Очевидно, что окисление металлов при таком давлении происходит на подлокке в паузе между импульсами плазмы. Можно было ожидать, что полученные таким путем пленки будут сплошными, начиная с толщин, близких к монослоо, но неориентированными, а электрофизические и* оптические свойства более толстых пленок будут близки к свойствам массивных аморфных образцов. Это подтвердилось на примере пленок 2Г02 » Ві203> выращенных на неориен-тируопшх подложках.
Оснований предполагать, что снизится температура
ориентированного роста, не. имелось в виду двухста-ди'Йности формирования пленки окислов. Однако при напылении Zr.Bi.Re в кислородной среде р = 10~2+10~3мм рт.ст. на ыонокристаллические подложки KaCl,GaAs,Ge при температуре подложки J = 150-300С было обнаружено улучшение структуры окислов, с ростом толщины пленок. Электро-нограммы пленок толщиной 20 8 соответствовали аморфной структуре, ЗО-і-40 8 - поликристаллической, . а начиная со 100 8 - структуре блочного монокристалла. Такая' зависимость может быть объяснена отжигом первых слоев диэлектрика под действием следующих импульсов лазерной плазмы.
Для проверки предположения часть поверхности аморфной пленки ZrO толщиной 20 8 бомбардировалась несколькими (5-10) импульсами лазерной плазмы, полученной в результате облучения мишени, материал которой ^S) не мог ко-денсироваться при поддерживаемой в 'эксперименте температуре подложки (Лп- Н50С). Электронограммы облученной области соответствовали блочному монокристаллу. Те же закономерности наблюдается и при* образовании пленок слохных окислов SrTi03, ВаТі03, ІЛТІ03, Bi Ge020. Температура ориентированного ро~та сложных окислов несколько выше (450-500С), чем у простых, однако существенно меньше чем при других методах эпитаксии.
Таким образом, механизм ориентации при реактивном лазерном напылении является достаточно общим. Оценки показывает, что он не связан с кратковременным повышением температуры во время поступления очередной порции эрозионной плазмы. Более вероятным является радиационно стиму ированный отжиг вследствие увеличения подвижности атомов возбужденного ионным облучением поверх- костного слоя [37].
Опыт, полученный в 70-х годах по лазерному напыление и эпитаксии пленок простых и .сложных окислов, позволил
быстро вклсчитьс5 в работы по высокотемпературной сверхпроводимости [21 3 . В этих материалах высокая критическая температур- связана с большой энергией связи пары и, следовательно, пара должна иметь малый радиус. Действительно, радиус когерентности в новых сверхпроводниках 7-Ю й, то есть сравним с периодом кристаллической реиетки. Естественно, что в этих условиях нормальное протекание тока можно обеспечить только в достаточно структурно совершенных образцах. Принятый в низкотемпературной сверхпроводимости металлургический подход к изготовлению образцов не пригоден. Успех возможен при методах получения и исследования образцов, используемых в полупроводниковой технике. Это объясняет, почему именно работы по пленкам заняли лидирующее положение.
По своим характеристикам наибольшее внимание заслуживает материал YBa Са 0 . Температура его синтеза из простых окислов ~ 850С с последующим отжигом в кислороде при атмосферном давлении. С понижением температуры растворимость кислорода возрастает. При 500С из-за встраивания кислорода структура кристалла переходит из . тетрогоналыюй в орторомбнческую. Начиная с х г 6, 5 материал обладает сверхпроводящими свойствами.
Из сказанного видно, что имеется противоречие между температурой кристаллизации и равновесным содержанием кислорода. Если учесть, что перенос материала при формировании пленки бозмохєн при давлениях существенно меньших атмосферного, противоречие становится еще более сильным. Следовательно, необходимо было определить минимальнуо температуру, при которой образуется сложный окисел, хотя бы его тетрагональная фаза, и максимальное давление кислорода, при котором еще возможно
21* Bednorz C.Mullep К.А. /У "Z.Phys. 1986. V.64. P.189.
получать качественные пленки . Можно пояснить, какие неприятности ожидает' при приближении к предельным значениям. Повышение давления Р тоновой среды 'уменьшает скорость разлета плазмы, и начиная с некоторых значений время пребывания облака при параметрах, близких к точке росы, возрастает настолько, что начинается объемная конденсация. Приблизительно в этой же области давления Pq2= 2 10-1мм рт. ст. возникают газодинамические неустойчивости и факел разбивается на отдельные струи. Повышение температуры подложки увеличивает время жизни пересыщенного газа, возникающего у ее поверхности при взаимодействии падавшего и реиспаренного потоков. В этом случае пленка также оказывается покрыта каплями конденсационного происхождения.
Анализ процессов позволил уже в 1937г. [52] получить структурно совершенные пленки YBa,Cu„0 на ^различных подложках. Тогда же было получено значение ''плотности критического тока в YBa^Cu^O. в пленке на подложке из SrTiO„ і = 7 10 А/см , котооое, по-види-
3 "с/ і
мому является предельным для данного материала. В работах [53,54,55,55,57,58,59, БО, 61,'62] приведены результаты исследования пленок ВТСП. полученных из лазерной пл змы.
В ряде случаев необходимо уточнить электрофизические или структурные свойства полученных лазерным методом , пленок. Иногда необходима комбинация материалов, взаимная эпитаксия которых невозможна, или необходимо получить пленку нужной ориентации на аморфной подложке. Для решения этих задач был проведен цикл работ [63,64,65,55,67,68].
^ [63] реализована возможность создания локальных р/n- переходов заданной глубины и с П-образным распределением лигатуры. Идея заключается в использовании воздействия лазера, при котором приповерхностный слой полупроводника расплавляется на глубину, определяемую
константой температуропроводности а и длительностью импульса излучения лазера т : n ~ vtax . Переход лигатуры из нанесенной на поверхность полупроводника пленки на заданную глубину происходит за несколько импульсов благодаря тому, что скорость диффузионных процессов в расплаве возрастает на « 4 порядка.
В реальной ситуации температура ориентированного роста выбранного материала может быть выше температуры деструкции материала нужной для последующих исследований подложки. В этом случае можно воспользоваться импульсным характером формирования пленки при лазерном методе. Из определенного в [43] времени кристаллизации тк- 5 10~5с видно, что температуру поверхности необходимо поднимать лишь на очень малую дол» ~ 10~4 цикла нанесения пленки. Возможность импульсного подогрева подложки с помощью синхронизованного с испаряющим лазером лазерного излучения продемонстрирована в [64].
Для образования ориентированных пленок должны существовать какие-либо факторы, способствующие зарождению кристаллитов с некоторой определенной ориентацией или вызывающие их переориентацию на более поздней стадии существования [22 .23 , 24 ] . Помимо прочих факто-
22 Шефталь Н. Н. Закономерности реального кристаллооб
разования и некоторые принципы выращивания монокристал
лов // Рост кристаллов. М.: Наука, 1974. Т. 10.
-
Geis M.W.,Antoniadis D.A..Silversmith D.J..Mountain R.W.,Smith H.I. Silicon graphoepitaxy using a strip-heater oven // /ppl.Phys.Lett. 1980. V.37. N5. P. 454 -456.
-
Tamura H. .Tanura H., Tokuyama T. Si bridging epitaxy from Si windows onto SiO by Q-switched ruby laser pulse annealing//Jpn, J.Appl.Phys.1980. V.19. N1. P. L23-L26.
ров. зародили кристаллической фазы с момента своего появления испытывает механическое воздействие подложки. При условии достаточно прочного сцепления атомов зародыша н подложки создание анизотропной деформации в ней вызывает деформацию кристаллитов, причем количество упругой энергии,, переданной кристаллитам, будет определяться как упругими константами материалов, так и взаимной ориентацией главных осей тензора деформации подложки и осей симметрии кристаллитов. При образовании система зародыш - подложка будет стремиться к минимуму своей свободной энергии, поэтому, создавая анизотропную деформацию, можно влиять на процесс кристаллизации. Подобные процессы возможны и на более поздней стадии. когда поликристаллическая пленка уже сформировалась. В случае анизотропной деформации подложки различно ориентированные кристаллы будут обладать различной ^свободной энергигЧ. При некотором повышении температуры начнется рекристаллизация пленки и тогда "удачно" ориентированные кристаллиты будут поглощать кристаллиты, имеющие оольшую свободную энергию. Анизотропяу» динамическую к статическую деформации можно создавать самыми различными методами - с помощью рельефа, неоднородного нагрева излучением изгиба подложки и т. п. Теоретическое и экспериментальное исследование возможности получения монокриоталлических пленок на аморфных подложках рассмотрено в работах [65,68,67,68]. В [66] , б частности, показана возможность получения пленок различной ориентации (100) и (111) при облучении системы пленка - подложка промодулированным с помощью трафарета с соответствующим рисунком излучением лазера. 2.5.Т^нкопленочные структуры - исследование и приложения. Тонкопяеночные структуры являются основой современной микроэлектроники, используются в качестве элементов приборов в нейтронной, рентгеновской и обычной оптике,
служат для магнитной и магнитнооптической записи информации. Новый метод и новые структуры также нашли приложение в этих областях. Обсуждение применимости метода и новых структур проведено в обзорных работах [38,41,69,70,28,71,72,54]. На конкретные приложения направлены изобретения и публикации, связанные с использованием пленочных структур в приборах и физических исследованиях [19,73,31,74,75,30,62, 76,77,78, 79,80,81,82,18]. Ножно выделить три направления работ.
1) Аморфные или мелкодисперсные поликристаллические
пленки и многослойные структуры на их основе . Основными
в этой направлении являются работы по многослойной
рентгеновской оптике.
2) Монокристаллические сверхтонкие пленки и квантовые
сверхрешетки.
3) Пленки высокотемпературных сверхпроводников и много
слойных структур, включающих пленки ВТСП, диэлектриков и
металлов.
Самым первым приложением, которое нашло лазерное напыление, является нанесение омических и барьерных контактов к полупроводниковым структурам [38,19, 41,73]. Напыление сопровождается плазменной очисткой поверхности, позволяет включить добавки, обеспечивающие . согласование работы выхода полупроводника и материала контакта, точно дозировать толщину пленки контактного материала. Все это позволило решить ряд задач, связанных с получением стабильных во времени барьеров Шотки с коэффициентом неидеальности К= 1,03, омических контактов к высокоомиым полупроводникам и к сверхтонким полупроводниковым пленкам.
Значение того или иного диапазона электромагнитных волн в значительной мере определяется фундаментальными явлениями физики, проявление которых приходится на этот диапазон. В этом отношении область мягкого
(10 - 300 лі рентгеновского излучения является необычайно привлекательной. К ней относится максимум излучения лазерной, термоядерной и космической плазмы. В этом диапазоне лежат характеристические линии многих элементов и линии излучения многозарядных ионов. В районе 40 & максимальное пространственное разрешение сочетается с минимальной областью вторичных поражений в фоторезисторах.
Исследования плазмы, рентгеновская астрономия и фотолитография, рентгенофлюоресцентный элементный анализ, управление синхротронним излучением и создание рентгеновских лазеров нуждаются в оптических элементах. До начала обозреваемых работ в этом диапазоне использовалась только.оптика скользящего падения, что позволяло решать малую долю перечисленных выше проблем. Создание оптики нормального падения связано с необычайно большими трудн'ост 'ми. Во-первых, диэлектрическая проницаемость любых материалов в этом диапазоне мало отличается от 1, J1-E |=10~*-і- 10"1, что соответствует отражению по нормали от одной поверхности R,** Ю-5* * 10~2. В то же время все материалы в указанном интервале длин волн сильно поглощают излучение. Гл-бина проникновения не превышает 1J"6- 10"4см. Естественно, что построение обычной линзовой оптики в этих условиях невозможно. Можно думать о многослойной отражающей оптике, но и здесь трудности очень велики.
Рассмотрим требования к зеркалу нормального падения на участке длин волн вблизи 40 X. Период такой структуры D = А/2 = 20 &. с учетом поглощения, оптимальные толщины слоев h и h не равны половине периода. Так v :о Ь ~ 3-5-5 %.. Неровности на границах раздела
слоев уменьшают отражательную способность идеальной структуры R . R = R ехр (- -Щ-), где о-2- дисперсия
пероховатости. Дгч В ~ 0.7R и d = 20 Я о = 2 Я. т. е. необходимо пользоваться атомарно гладкими подложками н обеспечить отсутствие роста неровностей при напылении пленок. Еще более жесткие условия связаны с необходи-мостьо когерентного отражения от всех периодов структуры. В этом диапазоне максимальное отражение достигается за счет сложения рассеяния от 50 * 200 слоев. Спектральное разрешение Л/ДА приблизительно равно их числу N, если выполняется условие на величину отклонения периода структуры Ad от его среднего значения d т-= N =
=АсГ Тогда М " 1(Г2(1 и ПРИ d = 20 Ad = 0,2 А. Естественно, что работы по создание многослойной оптики стали возможны после создания весьма рафинированной технологии нанесения пленок (25*. 26*, 27", 28* ,83,18,84,85,86], построения теории рассеивания рентгеновского излучения реальными одиночными пленками и многослойными структурами^, 88, 89, 90], выработки стратегии пар [29*. 30*, 31* , 81,82.92] и методик измерения. Перечисленные вопросы достаточно взаимосвязаны - без достоверных измерений
2$ Haelbich R.-P..Segmuller A.,Spiller Е. // Appl. Phys.Lett. 1979. V.34. P.184; Rep. DES7.SR-79/13, 1979.
26* Spiller E. .Segmuller A.,Rife I..Haelbich R.-P. // Appl.Phys.Lett. 1980. V.37. P.1048.
27* Spiller E. // in Ref., [51, p. 124.-^
28* Barbee Т.Н. // Jr. in Ref., 151, p.131.
29' Spiller E. // Appl.Phys.Lett. 1972. V.20. P.184.
30* Виноградов А. В., Зельдович Б. Я. // Appl.Opt. 1977. V.16. P.89.
31 Виноградов А. В., Зельдович &. Я. // Оптика и спектроскопия. 1977. Т. 42. С. 709.
нельзя разработать технологии, без теории рассеяния невозможна трактовка экспериментальных исследований.
В принятых ранее моделях -учета рассеяния на
неровных границах раздела слоев использовался метод
Кирхгофа, т.е. априори предполагалось, что радиус
корреляции шероховатостей велик по сравнению с длиной
волны. Во-первых, это далеко не всегда отвечает
реальной ситуации. Во-вторых, на условие применимости
метода Кирхгофа в ряде случаев [87,89] надо накладывать
более жесткие ограничения. В то же время имеется
возможность достаточно строгого анализа процессов, если
ограничиться - приближением малого рассеяния, т. е.
случаем, когда интегральная интенсивность диффузно рассе
янного излучения много меныае интенсивности излучения,
распространяющегося в зеркальном направлении. Так как
диффузная и зеркальная компоненты по-разному взаимо
действуют с многослойной структурой, это условие не
означает малости рассеяния от одной границы раздела,
поэтому такой подход оказывается применим для широкого
диапазона параметров. В приближении малого рассеяния
роль шероховатостей сводится к размытию скачка диэлек
трической проницаемости. Это выражается в уменьаении
кс ффициентов разложения диэлектрической проницаемости в
ряд Фурье. . _
Развитый подход позволил не только правильно интерпретировать результаты измерений, но и предска- -зать некоторые нетривиальные явления. Например, разное поведение разрешавшей способности структур W-c и Ni-C при росте неровностей границ раздела [88]. В структурах, использующих материалы с меньшим поглощением Ni-C,-неров.-ости, согласующие границу раздела, приводят к увеличению числа работавших периодов и росту селективности.
Появилась также возможность внести коррекцию в стратегию выбора пар материалов [82]. Обычно орненти-
руются на максимальную величину скачка оптической плотности, однако количество эффективно отражающих слоев может быть ограничено поглощением излучения. Более правильным является поиск материалов, у которых сравнительно большая разница констант An и Лк сопровождается наименьшими коэффициентами экстинции К и К_. Стратегия лоиска пар, удовлетворяющих этому условию, изложена в [91,82,92].
По рассеянию вблизи угла полного внешнего отражения можно оценить интегральные характеристики поверхности подложки. Оцененные таким образом неровности дают представление о том, можно ли использовать данную подложку для изготовления зеркал с заданным периодом' пленочной структуры. Однако, для коррекции технологии изготовления подложек и контроля над изменениями неровности при напылении многослойных структур, необходим метод получения изображения реальной поверхности. Для этого был разработан метод лазерных реплик [18,88]. Ограничение в методе реплик обычно связано не с разрешающей способностью просвечивающих электронных микроскопов, а с размерами кристаллитов маскирующего материала. Естественно было использовать для получения реплик тот же способ, которым получены мелкодесперсные пленки отражающих покрытий.
Необходимость использовать неравновесные методы формирования пленок многослойных структур рентгеновских зеркал связана с жесткими требованиями к выбору пар материалов, в общем случае не . совпадающими с возможностью взаимной эпитаксни ' слоев. Если исключить эпитакснальные сверхструктуры, наименьшее диффузное рассеяние следует ожидать от гладких аморфных или мелкодисперсных многослойных композиций. Нанесение сверхтонких (5 * 10Х) атомарно гладких слоев требует компромисса между подавлением подвижности адатомов и поверхностной диффузией. Действительно, если
полностью запретить диффузионные процессы, одиночные сверхтонкие пленки будут сплошными и гладкими, однако с увеличением суммарной толщшы структуры неровности будут расти по закону сложения случайных процессов. Увеличение диффузии может приводить к образованию трехмерных зародышей и, следовательно, нарушению сплошности.
Вторая проблема-точное сохранение периода структуры, как мы видим, -д- * jgg и Ad ~ 0,28. Очевидно, что удержание положений границ периодов с точностью около 0,1 межатомного расстояния черезвычайно сложно и не в монокристаллических структурах возможно только по некоторому усредненному параметру. Решению этих задач посвящены работы [84,93,18,85,88,86]. Автостабилизации естественно возникающих при некоторых режимах лазерного нанесения пленок оказалось недостаточно и реальные установки, на которых напыляются зеркала, значительно сложнее приведенных Б работах. Для стабилизации потребовалось охватить технологическую установку дополнительными цепями отрицательной обратной связи.
Структуры из сверхтонких пленок представляются идеальным, объектом для изучения процессов на границе раздела двух материалов. По рассеянию рентгеновского излучения можно определить размытие границы, плотности отдельных слоев и их толщины. Резонансное рассеяние от многослойной структуры делает эту информацию легко регистрируемой и достоверной. Б [85,94] исследовано воздействие отжига на поведение многослойных зеркал. Весьма важным оказалось то, что вследствие взаимной диффузии материалов изменяется период структуры, причем при определенных условиях диффузия так меняет плотности материалов, что коэффициент отракекия не только не падает а даже растет. Благодаря этому обстоятельству удалось. точно подогнать период многослойных структур для тех экспериментов, когда жестко фиксировалась длина волны и геометрия эксперимента, например в телескопе "ТЕРЕК"
станции "Фобос - 1" [73].
В работах [95,96,97,98,99,100,80] для исследования зеркал использовалось синхротронное излучение. В то же время и зеркала использовались для управления излучением синхротрона и исследования его параметров. Тогда же были продемонстрированы фокусировка излучения в пятно, определявшееся расходимостью синхротронного пучка [97,98,99], возможность использования зеркал как элементов силовой оптики при работе на онду-ляторном канале с мощностью 100 Вт/см2 [100], была исследована спиновая поляризация электронных пучков в накопительном кольце синхротрона [100, 80].
В [101] зеркала использовались как отражающие дисперсионные элементы для исследования излучения спектров лазерной плазмы, а в [81] - известное излучение лазерной плазмы для исследования зеркал.
В [78,79,102] исследовалась и использовалась рентгеновская оптика длинноволновой части рассматриваемого диапазона. В этой области 125 - 300 ft толщина слоев больше, а число значительно меньше, что связано с увеличением скачка диэлектрической проницаемости при правильном выборе материалов. Оптимальной в этой области спектра является пара Mo - Si. Исследования показали, что именно пленки Si наиболее сложны для лазерного метода и использованные в этих работах структуры были получены с помосыо электроннолучевого испарения. В [79] продемонстрировано, как с помощь»- фокусирующего зеркала лазерную плазму мозно превратить в мощный источник рентгеновского излучения для исследований в области нелинейной оптики.
В [104] показана возможность комбинации френелевской и многослойной оптики. Фокусировка рентгеновского излучения получена с помощьо профилированного многослойного зеркала.
Как ухе обсуждалось, несмотря на сильную неравно-
весность метода и благодаря некоторым факторам, облегчакщим ориентированный рост, лазерное напыление позволяет получать сплошные сверхтонкие монокристаллические полупроводниковые пленки [44,45,38]. Если качество сравнительно толстых пленок достаточно полно характеризуется электрофизическими параметрами, то для сверхтонких пленок h ~ 100 й необходимо учитывать эффекты, связанные с размерным квантованием. В [38,105] по спектрам пропускания исследовалась зонная структура одиночных пленок InSb, РЬТё, CdTe. Измерения показали, что энергетический спектр носителей тока имеет минизон-НЫЯ характер. Положение минизон находится в хорошем соответствии с данными расчета, проведенного -с учетом нетараболичности зоны проводимости. В спектрах пропус-кания пленок CdTe [105] при гелиевых температурах обнаружена тонкая структура, обусловленная экситонными переходами между размерно квантованными зонами. В результате анализа экспериментальных данных определены объемные значения эффективных масс легких и тяжелых дырок.
В [38] сделана попытка построения многослойных структур. Возможность изготовления квантовых сверхреаеток \3^ , 33 ] методом лазерного напыления продемонстрирована в [46]. Для формирования слоев периодических структур были выбраны материалы с близкими значениями параметров решетки, получение одиночных сверхтонких пленок которых было отработано ранее. Гетероэпитаксиальные структуры InSb-CdTe, InSb-PbTe и PbTe-CdTe напылялись на свежие сколы (100) кристаллов КВг. В спектральной зависимости оптического поглощения для гетероструктур InSb-CdTe и InSb-PbTe с числом периодов N = 10
' 32" Шик А. Я. // ФТП. 1974. Т. 8. С. 1841. 33* Esaki L. .Chang L.L. // Thin Solid.Films. 1976. V.36. P.285.
наблюдались особенности, позволяющие говорить о
минизонном характере энергетического спектра носителей
тока. Результаты экспериментальных измерений хорошо
совпадали с расчетными. У структур PbTe-CdTe ступен
чатой зависимости в спектре поглощения не наблюдалось,
что связано с образованием нового соединения с шириной
запрещенной зоны Е « 0, 2' эВ и параметром решетки а ~
6, 46 а. ч
В [106,107] приведены результаты исследований структурных, оптических «„ электрофизических свойств сверхрешеток, полученных на основе InSb-CdTe, InSb-PbTe, Bi-CdTe. Измеренное положение минизон в них хорошо совпадает с данными расчета. Вид спектра оптического поглощения коррелирует с вольт-амперными характеристиками (ВАХ). Предложены механизмы возникновения N- и S-образных ВАХ.
В [47,48,49] приводятся результаты исследований сверхрешеток с аморфными барьерами. Предложена методика расчета, дающая удовлетворительное совпадение с экспериментом. На лучших образцах получены N-образные ВАХ. В [107] обсуждаются перспективы использования кеэнтовых сверхрешеток в СВЧ - электронике.
Высокотемпературные сверхпроводники являются сложными окислами, свойства которых определяются кристаллографической структурой и сильно зависят от содержания в них кислорода, С учетом этих особенностей была разработана технология лазерного напыления монокристаллических пленок YBa,Cu_0 , на которую было получено авторское свидетельство [108]. В настоящее время лазерное напыление является одним из основных методов получения пленок высокотемпературных сверхпроводников
[34", 35*. 36*. 37*].
Обычный недостаток работ по исследованию свойств высокотемпературных сверхпроводников связан с тем, что керамические образцы плохо воспроизводимы и представляет некую сложную композицию из отдельных кристаллитов, соединенных джозефсоновскими контактами. Объемные монокристаллы часто имеют неоднородное содержание кислорода по глубине, кроме того электрическое подключение к ним связано со значительными трудностями. Наиболее удобным объектом для исследования, по-видимому, являются пленки с контролируемой структурой. Одновременно пленочные образцы наиболее перспективны и для построения приборов. Так как высокотемпературные сверхпроводники относятся к сверхпроводникам второго рода, магнитное поле начинает' проникать в них в виде вихрей ^Абрикосова по достижению весьма небольшой величины <Нс1~ 100-5-200 Гс. При протекании тока в идеальном монокристалле вихри под действием силы Лоренца будут свободно перемещаться, что отвечает ничтожно малым критическим токам. С другой стороны, нарушение структуры из-за малости длины когерентности может приводить к слабостям типа контактов Джозефсона, чему также соответствует уменьшение критического тока. Поэтому первые исследования пленок [52, 55,57,61] были направлены
34 Головашкіш А. Н., Печень Е. Б., Шабанова Н. П. //Труды ФИАН. 1988. Т. 190. С. 128.
35" Dijkkamp D. ."Venkatesan Т. ,Wu X.D.,Shaheen S.A..Jisrawi N.,Min Lee Y.H.,Hc Lean W.L.,Groft M.// Appl.Phys.Lett. 1987. V.51. P.619.
36" Roas B.,Schultz L.,Endres G.//Appl.Phys.Lett. 1988. V.53. P.1557.
37* Koren G.,Gupta A. Giess E.A..Segrauller A..Laibowitz R.B.//Appl.Phys.Lett, 1989. V.54. P.1054.
на изучение структуры, в том числе и с помощью микросколии высокого разрешения, и ее связи с токонесущей способностью. Сравнение поведения зависимости токонесущей способности от величины магнитного поля для различных образцов с их структурными особенностями позволило определить дефекты, являющиеся оптимальными центрами пининга.
Достаточно совершенные пленочные структуры позволили поставить работы по определению глубины проникновения магнитного поля в ВТСП. В [55] она измерялась по отражение от пленки поляризованных нейтронов и [109] с помощью измерения магнитной восприимчивости.
Возможные приборные приложения ВТСП - пленок рассматриваются б [54]. Для построения приборов был разработан метод исследования пространственного распределения сверхпроводящих параметров на пленках с помощью лазерного зондирования [59]. Наиболее простыни приборами, использующими свойства ВТСП - пленок, являются болометры и визуализаторы тепловых полей. В [53, 60] исследуются болометрические и шумовые свойства ВТСП -пленок.
Высокое значение плотностей критических токов в эпитаксиальных пленках ВТСП и малая восприимчивость токонесущей способности к сильным магнитным полям позволяет рассчитывать на создание сильноточных приборов и устройств на их осноеє [62].
