Введение к работе
актуальность работы. В современной экспериментальной физике твердою тела одной из аиболес интенсивно развивающихся областей является '. физика топких пленок и юверхности. Тонкоіілспочньїе структуры обладают, необычными электрическими, іагштшммії и механическими свойствами. Состояние поверхности и границы раздела иіенка /'подложка иірают важнейшую роль ив определении объемных механических :войств материалов, таких как пластичность и твердость. В последисе десятилетне хлагодаря использованию различных методов роста и модификации приповерхностных слоев іменно в тонких пленках удалось синтезировать большое колическтво новых материалов с лшкалыюй структурой и свойствами, и. таким образом, сформировалась самостоятельная прасль материаловедения. Всестороннее изучение физических свойств тонкопленочных материалов является важной задачей с фундаментальной точки зрения. С другой стороны, поверхность и приповерхностные области твердого тела играют важнейшую роль в говремсиной ТСХИОЛОІИИ. Достаточно упомянуть технологию микроэлсктронных приборов (СБИС), которая целиком базируется на тоикопленочных структурах. Дальнейший ироірссс невозможен без поиска новых материалов и глубокого понимания процессов в приповерхностных слоях.
Один из таких классов материалов представляют собой силициды металлов, формирующиеся при тонкопленочных реакциях в результате отжига пленок металлов. осажденных па подложку кремния, а также при со-оеаждешш металлов и кремния. Силициды металлов, формирующиеся, в тоикопленочных слоях, являются объектом детальною изучения в последние два десятилетия. Причиной такого интереса с точки зрения фундаментальной пауки является многообразие фаз с различной структурой и электронными свойствами, необходимость выяснения термодинамических особенностей, электрических и механических свойств, и кинетики реакций формирования СИЛИЦИДОВ. С другой стороны, интерес к силицидам в последние годы объясняется потребностями в новых Мтериалах для создания технолопій производства "ультраболмпих инзсіральнмх схем" (ULSI) в микроэлектронике. В частности, следующий шаг в рашннш тсхнолопш свжы/ыси
с поиском полупроводниковых материалов на Gate кремния, в том числе силицидов,
прямым излучающим переходом, для создания оптоэлсктроппых приборов, иитсфированиы
в современную кремниевую ТСХІІОЛОІ1ІЮ. .
В настоящее время наиболее подробно ичучены тонкие ( 1 мкм) пленки сшшишк: металлов, формирующиеся в результате нанесения пленки металла па ноперхност подложки кремния с последующим отжшом первоначальной структуры при различно температуре. Детально изучены кинетика реакций, последовательность образования фаз, н криетаїиіическая структура, температурная стабильность, для большинства фа і енлинидо исследоііаньї электрические свойства | Силициды для СБИС. "Мир", Москва, {1986) с. 151. 1 целом, фаты, образующиеся при термическом отжше структур пленка металла / нодложк; совпадают с теми, которые указаны на равновесной фазовой диаірамме соответстуюшн элементов. При этом кинетика реакции сшнишдообразования завиєш от характер процессов диффуши компонентов через слой формирующеюся силицида зародышеобразования различных фаз. Важным лимитирующим фактором при формировали конечной фазы силицида при отжше структуры пленка металла / подложка кремни является ограниченное количество металла (в пленке) при неоірашічепном количеств кремния (подложки), что предопределяет формирование обоїащспной кремнием фазы качестве конечной. Особый интерес в связи с этим представляет вопрос о факюбразовапиі в пленках силицидов, полученных совместным осаждением металлов и кремния. В эта случае можно предположить, что набор фаз в сформированном при со-осаждении ело может существенно отличаться от предсказанною равновесной фазовой диаіраммой зависимости от тот, насколько неравновесным является процесс осаждения. Важную роль фазообразовании силицидов при совместном осаждении металла и кремния может закж сьирать и структура подложки: недавно была продемонстрирована возможное! і стабилизировать при эпитоксиалыюм росте новые фазы силицидов со структурой, ранее и наблюдавшейся в объемных материалах | . 52 196-205 (1991): 13807-11(1992)].
Зля (каждения многокомпонентных покрыгий с контролируемым ЭЛСМСПТНЫМ СОСТаїЮМ до последнего времени в основном использовались методи, основанные на термическом испарении. В последние несколько лет начал -лавинообразно расти интерес к методу импульсного литерного осаждения (ИЛО), именуемому также лазерпо-плазменным ;>саждсиисм. как методу формирования топких пленок металлов и их сплавов | Вест пик ВУЗов, ссрия^ Электроника, №2 , 3 (1997) н ссылки в нем). Причиной такого втрыва активности яшмется возможность осаждения практически любою материала, начиная с чистых элементов и кончая многокомпонентными сосдииенпямн. при лом стехиометрия материала мишени непосредственно іюснроизвоаитея в пленке. При этом важно отметить, что параметры осаждения при . использования метода ИЛО окатываются существенно отличными от других - методов, основанных па испарении:, кинетические энергии эмиттнруемых частиц составляют І0-1ГО эВ и окаїьіваютея па 1-2 порядка величины большими по сравнению с термическим испарением, а распределение по скоростям-намного шире идеального макевелловского распределения: Эти свойства лазерной ішатмм святапы с высокими скоростями испарения с поверхности -мишени и взаимодействием лазерного излучения с парами металла. В то же время, специфика процесса взаимодействия лазерного излучения с вешеетвом определяет огромные (до 10"" см'") мгновенные скорости осаждения на подложках. Такие неравновесные условия при формировании тонкопленочных слоев моїуг приводить к обра'нжшиіо фа і. "запрещенных" равновесной фазовой дишраммой. Импулт>сный характер процесса осаждения определяет конденсацию К)1 -К)1' частиц / см" за импулі<с. что. и принципе, позволяет уиравляп. толщиной или составом осаждаемой) слоя с точностью до ~0.1 мопослоя или (),lf;f, соответственно. Вышеназванные особенности метода импульсного лазерного осаждения делают его уникальным инструментом для синтеза топкопленочных материалов, в частпостн, силицидов металлов со строп» заданным элементным составом и фазовым составом, который может противоречии! равновесной фа юлой днаїрамме состояний.
Таким обраюм, настоящая рабоїа носвяшена актуальной фи отческой проблеме: выяснению осоГктшоетсй структуро- и фазообраювапия в гонконленочпых слоях силицидов меіоллив.
формирующихся п неравновесных условиях при совместном осаждении методом импульсного лазерного осаждения.
Исль работы. Целыо настоящей работы было иіучспис фаюобразования в.' совместно-осажденных пленках силицидов металлов, полученных методом импульсного лазерного осаждения, и их эНолмция в процессе термического отжига сформированных слоев; исследование влияния отклонения элементной) состава от стсхиомстричеекого на структуру и фазообразованис со-осаждеиных силицидов металлов; исследование первичных процессии, происходящих на'поверхности подложки при импульсном лазерном осаждении металла и кремния; исследование особенностей формирования структуры в слоях лазерпо-соосажденных силицидов металлов.
Научная повита работ состоит в следующем:
-
Впервые детально исследованы особенности формирования структуры и фазообразованис в топконленочных слоях силицидов метаїшов, полученных методом ИЛО. -
-
При росте топконленочных слоев силицидов обнаружен ряд ранее не наблюдавшихся эффектов, обусловленных специфическими параметрами осаждения.' характерными для метода ИЛО.
-
Впервые детально исследован участок на дишрамме состояний Fe-Si в уїкой области кониетраций FexSi|.x -( 0.56 < х < 0.60). . ,
-
Экспериментально определен знак ірадиснта электрического ноля на ядре Fc в фате силицида E-FcSi.
Практическая ценность работы. С использованием автоматизированной установки импульсного лазерного осаждения определены ' оптимальные режимы для осаждения различных металлов и кремния при испарении лазерным излучением ИК диапазона. Подбор геометрии расположения мишеней и подложек, плотности мощности лазерного излучения, учет эффектов распыления при конденсации лазерно-испарсиных частиц позволил еошать основы технологии формирования сверхтонких, многослойных и сплавных слоев при
использовании элементных мишеней и минимизировать количество капель па подложке, возникающих в процессе лазерного испарения. Разработаны основы тсхнолопш формирования етехйомстричсских соединений металлов и силицидов методом импульсного лазерного осаждения путем ноелсдовательного осаждения сверхтонких слоев in элементных мишеней. Показано, что при, использовании автоматизированной установки импульспою лазерного осаждения и предварительной калибровки возможно получение соединении с точностью но составу не хуже \'к. воспроизводимой от обрата к обрату. Данная тсхнолоіия и сочетании с термическим отжиюм in silu в сверхвысоком вакууме нозволяет формировать тоиконленочпые слон с заданным структурным и фазовым составом.
На защиту выносятся следуйте, отошшс положения;
1. Методика формирования слоев силицидов металлов путем последовательного осаждения
сверхтонких слоев металла и кремния методом импульснога лазерною осаждения (ИЛО) из
элементарных мишеней металла и кремния, позволяющая синтезировать соединения строю
етсхномстричсского состава с точностью до 0.1 ат.'/К
2. Экспериментальные данные по формированию кластеров силицидов на стадии
совместною осаждения металла (Та, Ni) и кремния методом ИЛО in элементарных мишеней
при комнатной температуре: формированию кристаллическою силицида при комнатной
температуре при совместном осаждении металла (Ni) и кремния в точном
стсхиомстрическом соотношении.
-
Экспериментальные данные, иодтверждаюшне наблюдаемый при определенных условиях процесс травления слоя металла за счет пучка атомарного кремния, лазерио-осаждаемого на поверхность металлических слоев (Та, Fc). в условиях формирования на поверхности слабо связанных с подложкой силицидов металла, а также эффект спонтанной модуляции состава в аморфных слоях силицидов металлов (Та, Fe), сформированных при комнатой температуре путем ИЛО из элементарных мишеней мспалла и кремния
-
Данные но фазообразованию в системе Fe-Si в <ібласти копнет раций FejSii., ( 0.5t> < \ < 0.60), а также особенности электронной структуры фазы -FcSi.
Часть результатов работы докладывалась на III Международной конференции ш
модификации материалов импульсами оперши и пучками часині (Дрезден. 1989 і.)
Всесоюзной конференции "Взаимодействие Попове поверхностью" (Москва, 1991 г.), 14-f
Международной конференции но физике поверхности (European Conference On Surfacv
Science, ECOSS-14, Лейпциг, 1994 г.), на 4-м Международном, Совещании ш
Мсссбауэровекой спектроскопии (Fourth Sccheim Workshop on Mossbauer Spectroscopy
Sceheim, Germany, 1994), на международном Симпозиуме но силицидам (MRS Fall Meeting
Boston, USA, 1995). -
Публикации.
Полученные в работе результаты изложены в 7 опубликованных статьях.
Структура диссертации.
Диссертация содержит введение, 5 їлав, заключение, 30 рисунков, 7 таблиц. Обгний объем-
107 страниц. Список использованных источпнюи литературы содержит 89 наименований.
