Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор литературы 10
1.1. Основные параметры твердого раствора Si - Ge 11
1.2. Классификация квантоворазмерных структур 15
1.3. Применение квантоворазмерных структур в микро- и оптоэлектронике 16
1.4. Основные методы получения упорядоченных наноразмерных структур 17
1.5. Механизмы формирование слоя с квантовыми точками 18
1.6. Рост и особенности упорядочения нанокластеров Ge 20
1.7. Размеры и плотность островков 25
1.7.1. Максимальный размер квантовой точки 25
1.7.2. Структурное совершенство, плотность и однородность на-ноостровков 26
1.8. Изменение параметров островков в процессе отжига 27
1.9. Оптические свойства структур с Si-Ge квантовыми точками 31
1.10. Электрические свойства тонких слоев германия на кремнии 34
1.11. Ионная имплантация - новый способ получения упорядоченных квантоворазмерных гетероструктур GexSii.x 36
Краткие выводы и постановка задачи 38
2. Экспериментальная часть 40
2.1. Получение самоупорядоченных Si-Ge наноструктур 40
2.1.1. Ионная имплантация германия в кремний 40
2.1.2. Постимплантационный отжиг полученных структур 41
2.2. Исследование полученных структур 42
2.2.1. Распределение имплантированного германия по глубине кремния 43
2.2.2. Кристаллическое совершенство слоя и подложки (рентгеноструктурный анализ) 47
2.2.3. Пространственное распределение кластеров Si-Ge в слое твердого раствора (атомно-силовая и растровая электронная микроскопии) 54
2.2.4. Элементный состав кремний - германиевых наноструктур 56
2.2.4.1. Факторный анализ для обработки оже-сигналов для наноэлектроники 62
2.2.5. Квантово - оптические свойства структур с квантовыми точками 65
Выводы к главе 2 72
3. Кинетика кластеризации атомов германия в приповерхпостном слое кремния 73
3.1. Кинетические коэффициенты образования кластера 74
3.2. Преципитация дефектов, ограниченная диффузией 76
3.3. Модель кластеризации атомов, однородно распределенных по объему кристалла 79
3.4. Модель кластеризации атомов, неоднородно распределенных по объему кристалла 81
3.5. Расчет начальных условий кластеризации 82
3.6. Результаты моделирования кластеризации атомов, неоднородно распределенных по объему кристалла 85
Выводы к главе 3 93
Заключение 94
Список цитируемой литературы 96
Список основных публикаций по теме диссертационной работы 100
- Основные методы получения упорядоченных наноразмерных структур
- Ионная имплантация - новый способ получения упорядоченных квантоворазмерных гетероструктур GexSii.x
- Кристаллическое совершенство слоя и подложки (рентгеноструктурный анализ)
- Модель кластеризации атомов, однородно распределенных по объему кристалла
Введение к работе
Актуальность темы. Кремний обладает уникальным сочетанием свойств, делающим его незаменимым материалом микроэлектроники. Легированные моно- и поликристаллы кремния, аморфный кремний, различные соединения на его основе - оксиды, нитриды, силициды- позволяют получать диэлектрические, полупроводниковые и проводящие материалы не только на поверхности, но и в объеме кристаллов кремния, В последние годы в микроэлектронике значительно возрос интерес к наноразмерным кремниевым структурам, проявляющим эффекты размерного квантования. Такие-структуры интересны для производства светопоглощающих и излучающих приборов, что компенсирует невозможность получения качественных излучающих приборов вследствие отсутствия прямого оптического перехода в кремнии.
Уникальные свойства структур с эффектами размерного квантования были предсказаны еще в восьмидесятых годах прошлого века. Попытки получить такие системы предпринимались при помощи локального травления, роста на профилированных подложках, конденсации в стеклянных матрицах и др. Однако эти;методы не соответствовали одновременно основным требованиям к структурам с эффектами размерного квантования и условиям получения и работы современных полупроводниковых приборов. Наилучшие результаты изготовления квантовых структур (КС) на основе кремния были достигнуты при молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) тонкого слоя германия. Этот метод не лишен некоторых существенных недостатков, а именно:
жесткие требования к качеству подложек (совершенство поверхности, отсутствие паразитных или адсорбированных примесей);
длительность проведения процесса;
высокие требования к проведению самого процесса (температурный режим, чистота и давление подаваемых газов).
Метод ионной имплантации (ИИ) с последующим высокотемпературным отжигом является одним из перспективных методов получения гете-роструктур вообще и наноструктур с SiGe квантовыми точками (КТ) в частности. Многочисленные преимущества метода ИИ по сравнению с традиционными методами осаждения (возможность проведения имплантации сквозь покрытия, меньше время проведения процесса) открывают ему широкие перспективы для решения широкого круга задач. Основной недостаток имплантации - дефектный или даже аморфизованный: приповерхностный слой — устраняется различными постимплантационными отжигами.
В настоящее время нет единого мнения о механизме образовании квантовых точек методом ионной имплантации (влияние упругих напряжений, режимов отжига, дефектообразования и т.д.), не изучены также и их электрооптические свойства. Исследование процессов образования нанораз-мерных упорядоченных структур на основе твердого раствора Si - Ge, полученных внедрением германия в кремний, роль радиационных дефектов и условия образования когерентных кристаллических слоев, закономерностей процессов фазообразования необходимо для более глубокого понимания и практического использования для дальнейшего развития этой области микро-и наноэлектроники.
Целью работы являлось определение оптических свойств, состава, размеров и пространственного распределения SiGe квантовых точек в созданных ранее структурах на поверхности кремния методом ионной имплантации. Так же необходимо было определить условия имплантации и последующего термического отжига для получения SiGe наноструктур с заданными параметрами. Для этого было необходимо:
- изучить кристалличность и дефектность слояt содержащего кванто-
вые точки;
определить геометрические размеры полученных квантовых точек, пространственное распределение в слое и их состав;
изучить квантово-оптические свойства структур с квантовыми точками.
создать математическую модель для описания процессов кластеризации имплантированного в кремний германия и теоретически рассмотреть влияние дозы имплантации, времени и температуры отжига на состав, размеры и пространственное распределение квантовых точек.
Научная новизна полученных результатов:
Впервые определен элементный состав квантовой точки методом электронной оже-спектроскопии.
Установлено, что сформированные наноразмерные структуры проявляют свойства размерного квантования. Впервые на образцах с КТ, полученных методом ионной имплантации наблюдалась интенсивная фотолюминесценция в области — 1,5 мкм в широком диапазоне температур 5 - 300 К.
Впервые создана теоретическая модель для численного описания процесса кластеризации германия, имплантированного в кремний.
Практическая ценность работы определяется следующим:
Разработана методика обработки зашумленных оже-спектров, полученных в условиях малого времени накопления сигнала в высоколокальных областях. Данная методика применима для элементного оже-анализа объектов размерами сравнимыми с диаметром первичного пучка (15 - 20 нм).
SiGe структуры с квантовыми точками, полученные методом ионной имплантации, являются перспективными для изготовления источников света ИК диапазона (1,5 мкм), применяемых в оптоэлектронных приборах и волоконно-оптических системах передачи и обработки информации.
На основании расчетов получены оптимальные режимы ионной имплантации германия в кремний и постимплантационного отжига для получе-
ния структур с квантовыми точками с заданными параметрами (состав, размеры, распределение КТ). Полученные в экспериментах структуры по своим характеристикам соответствуют предложенной теоретической модели.
Основные положения, выносимые на зашиту.
Метод ионной имплантации является альтернативой молекуляр-но-лучевой имплантации для создания на поверхности монокристаллического кремния упорядоченных наноразмерных структур с квантовыми свойствами.
SiGe квантовые точки образуют регулярную структуру в плоскости наблюдения и упорядочены по размерам (высота и диаметр у основания).
Разработана методика обработки зашумленных оже-спектров, основанная на отделении полезного сигнала от шума при помощи факторного анализа.
Содержание германия в квантовых точках полученных наноструктур составляет 30 % (Sio^Geo.j), что на 10 % больше чем в окружающем твердом растворе.
Наноразмерные упорядоченные SiGe структуры, полученные методом имплантации ионов Ge+ в кремний, проявляют свойства размерного квантования.
Разработана математическая модель, которая численно описывает кластеризацию имплантированного в кремний германия, влияние дозы имплантации, температуры и времени отжига на размеры КТ, их состав и распределение в слое твердого раствора. Для получения КТ с заданными размерами и составом предложены режимы имплантации германия в кремний и последующего постимплантационного отжига.
Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:
57 научная конференция студентов МИСиС, 17—18 Апреля 2002 г., Москва.
Совещание по росту кристаллов пленок и дефектам структуры кремния "КРЕМНИЙ-2002", 9-12 июля 2002г., Новосибирск.
13th International Conference on Ion Beam Modification of Materials IBMM 2002 Kobe, Japan, September 16,2002
X Национальная конференция по росту кристаллов, HKPK-2002, Москва, 2002 г.
Химия поверхности и нанотехнология, 24 - 29 сентября, 2002г.,. Хилово, Псковская обл., Россия
Третья Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе («Кремний-2003»), 26 — 30 мая 2003 г.
XII Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Июнь 2003 г., Черноголовка.
8. «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному
образованию» «МОЛОДЫЕ УЧЕНЫЕ - 2003 », Москва, 1 - 3 октября 2003 г.
9. NATO-Russia Advanced Research Workshop. Nanostructured Thin
Films and Nanodispersion Strengthened Coatings, 22 - 26 October 2003, Moscow,
Russia.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 44 наименований. Объем дис-
сертации составляет 101 страниц машинописного текста, включая 26 рисунков.
Во введении раскрыты потенциальные преимущества упорядоченных SiGe наноструктур для микро- и наноэлектроники, обоснована актуальность использования метода ионной имплантации для получения упорядоченных SiGe структур с квантовыми точками, сформулирована главная цель работы и основные задачи, определена научная новизна и практическая значимость. Приводятся основные положения, выносимые на защиту, перечислены конференции, совещания и семинары, на которых докладывались результаты работы и ее основные положения
В первой главе содержится обзор литературных данных по основным направлениям получения самоупорядоченных наноструктур с квантовораз-мерными свойствами и их исследования.
Вторая глава посвящена экспериментальному определению физических свойств ранее полученных самоупорядоченных SiGe наноструктур методом ионной имплантации с последующей термообработкой..
Третья глава посвящена описанию кинетики роста SiGe квантовых точек, полученных методом ионной имплантации с последующим отжигом, расчету их концентрации и размеров. В ней содержится описание модели кластеризации германия, имплантированного в кремний, и приведены результаты расчетов для наноструктур, получению и исследованию которых посвящена данная работа. Проведено численное моделирование кластеризации имплантированного германия в слое твердого раствора Si-Ge, исследована зависимость концентрации кластеров германия, их характерных размеров от дозы имплантации. Предложены режимы получения структур с квантовыми точками,
В Заключении приводятся основные выводы, сделанные по результатам проведенных исследований.
Основные методы получения упорядоченных наноразмерных структур
Усилия разработчиков в последнее время заключается в создании систем с квантовыми точками, являющимися предельным случаем с пониженными размерностями ("нульмерные" системы). Эти системы представляют собой массив наноразмерных кластеров в полупроводниковой матрице. Дискретный спектр энергетических состояний таких кластеров позволяет относить их к искусственным аналогам атомов, несмотря на то, что кластеры могут состоять из большого числа частиц. Изменяя размеры КТ, форму и состав с помощью контролируемых технологических приемов, можно получать аналоги многих природных элементов.
Особенностью КТ является, во-первых, возможность управления спектральной полосой фотоотклика путем предварительного заселения дискретных состояний с требуемой энергией перехода. Во-вторых, наличие размерного квантования в нульмерных системах снимает запрет на оптические переходы, поляризованные в плоскости фото приемника, а значит, предоставляет возможность осуществлять поглощение света при нормальном падении фотонов. В-третьих, в КТ ожидается сильное увеличение времени жизни фотовозбужденных носителей заряда вследствие так называемого эффекта "узкого фононного горла" /6/
Реальной демонстрацией преимуществ таких структур можно считать обнаружение в системе Si — Ge с КТ чрезвычайно высокого значения сечения фотопоглощения (2- 10 п см2), что превышает, по крайней мере, на порядок известные значения сечения фотоионизации для локальных центров в кремнии. Эти данные свидетельствуют о перспективности использования систем с квантовыми точками для создания фотодетекторов, в том числе ИК-диапазонов. Другой интересной экспериментально установленной особенностью таких систем является обнаружение фототока, генерированного фотонами с энергией меньше ширины запрещенной зоны кремния, в гетеро-структурах Ge/Si с самоорганизующимися квантовыми точками. Энергия электронного перехода в таких структурах должна определяться разницей между шириной запрещенной зоны кремния (1,12 эВ) и энергией дырочного состояния в германиевой КТ (0,43 эВ), то есть равняться 700 мэВ, что согласуется с экспериментальными значением положения линии 7? в спектре фототока (примерно 730 мэВ) /7, 8/
В течение долгого времен и во всем мире предпринимались попытки изготовления квантовых точек и приборов на их основе «традиционными способами», например, путем селективного травления структур с квантовыми ямами, газофазной эпитаксии, жидкофазной эпитаксии, роста на профилированных подложках, на сколах, или конденсации в стеклянных матрицах. В последнее время наиболее распространенным методом получения гетеро-структур является молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) 191. При этом прибор но-ориентированные структуры так и не были созданы, а принципиальная возможность реализации атомоподобного спектра плотности состояний в макроскопической полупроводниковой структуре не была продемонстрирована в явном виде.
Качественный прорыв в данной области связан с использованием эффектов самоорганизации полупроводниковых наноструктур в гетероэпитак-сиальных полупроводниковых системах. Таким образом, были реализованы идеальные гетероструктуры с КТ с высоким кристаллическим совершенством, высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации и высокой однородностью по размерам ( 10%). В полученных структурах были впервые продемонстрированы уникальные физические свойства, ожидавшиеся для идеальных квантовых точек, получены первые оптоэлектронные приборы, такие как, например, инжекционные гетеролазеры на квантовых точках.
Механизмы формирования слоя с квантовыми точками В гетероэпитаксиальном росте принято различать три режима: - Франка-ван дер Мерве (Frank-van der Merwe) - реализуется послойный (двумерный рост) материала В на подложке А\ - Фолмера-Вебера (Folmer-Weber) - имеет место островковый (трехмерный) рост В на открытой поверхности подложки Л; - Странского-Крастанова (Stranski-Krastanow) - первоначально реализуется послойный рост Я на Ас последующим образованием трехмерных островков В на покрытой подложке. В гетероэпитаксиальных системах, согласованных по постоянной решетки, режим роста определяется только соотношением энергий двух поверхностей и энергии границы раздела. Если сумма поверхностной энергии эпитаксиального слоя 72 и энергии границы раздела yi2 меньше, чем энергия поверхности подложки 72.+ у 12 Jit т.е. если осаждаемый материал 2 смачивает подложку, то возникает режим роста Франка - ван дер Мерве. Изменение величины у2 + Уі2 может приводить к переходу от режима Франка-ван дер Мерве к режиму Фолмера-Вебера. В гетероэпитаксиальной системе при наличии рассогласования по постоянной подложки между осаждаемым материалом и подложкой первоначальный рост может происходить послойно. Причем в осажденном слое параметры решетки будут идентичны; параметрам подложки, а по мере увеличения толщины - будут стремиться к параметрам кристаллической решетки осаждаемого материала. Более толстый слой имеет большую упругую энергию, и возникает тенденция уменьшить упругую энергию путем создания изолированных островков. В этих островках происходит релаксация упругих напряжений и соответственное уменьшение упругой энергии. Так возникает режим роста Странского-Крастанова. Упругие деформации в эпитаксиальных пленках и возникающих 3D островках являются ключевым и многозначным фактором, в большинстве случаев кардинально изменяющим картину классических механизмов фазо-образования. При некоторых условиях роль упругих деформаций и их релаксации в островках становится доминирующей вплоть до установления квазиравновесного состояния. В таком состоянии ансамбль островков неизменен во времени как по форме, так и по распределению по размерам и не описывается закономерностями модели оствальдовского созревания (ОС), для которого характерным признаком является непрерывное увеличение во времени среднего размера островка и рост ушпрения ненормализованного распределения островков по размерам.
Ионная имплантация - новый способ получения упорядоченных квантоворазмерных гетероструктур GexSii.x
Как уже отмечалось, структуры Si-Ge с квантовыми точками являются одним из наиболее интересных объектов для квантовой электроники и опто-электроники. Такие структуры выращиваются с помощью МЛЭ и на: них, по крайней мере, в макетном варианте, продемонстрированы основные предсказанные приборные возможности. Проблема; однако, состоит в том, что реальное построение технологии даже с небольшим серийным выпуском приборов наталкивается на то, что установки МЛЭ имеются в единичных экземплярах даже в развитых странах мира (США, Япония, Англия), а сам процесс занимает длительное время как для подготовки образцов, так и собственно для реализации процесса роста.
В этой связи достаточно естественной альтернативной технологической возможностью для построения аналогичных объектов, а именно структур Si-Ge с КТ является ионная имплантация /22, 23/.
Интерес к формированию наноразмерных структур в системе "кремний-германий" в последние годы резко возрастает. Это связано не только с ранее прогнозируемыми возможностями приборных применений, но и с улучшением качества технологии создания таких структур, что обусловлено, прежде всего, углублением понимания процессов формирования, основанных на самоорганизации/6, 8, 24/. Вместе с тем, технология изготовления таких структур до сих пор базируется на процессах, основанных либо на химическом осаждении из газовой или жидкой фазы, либо на молекулярно-лучевой эпитаксии. Оба эти процесса чрезвычайно трудоемки, связаны с применением уникальной техники и, даже в развитых странах мира, присутствуют лишь в нескольких местах. Ожидать широкого промышленного применения этих методов для производства наноразмерных структур и приборов на их основе в ближайшее время, по-видимому, не приходится.
В этой связи представляется чрезвычайно интересным использование нетрадиционных методов формирования квантово-размерных структур, к которым, прежде всего, следует отнести радиационные методы и, в частности, ионный синтез.
В принципе, структурная самоорганизация, например образование периодических слоистых структур в кристаллах с дефектами, в том числе радиационными, известна достаточно давно. Однако в последние годы появились сообщения, что с помощью ионного синтеза удается формировать квантово-размерные структуры - квантовые точки и квантовые проволоки. Первые обнаружены при синтезе полупроводниковых соединений /25, 26/, вторые при ионном синтезе дисилицида кобальта /27/. И в том и в другом случаях эти результаты пока не поддаются детальному обсуждению с точки зрения механизма явления.. Главное отличие образования-таких структур методом молекулярно лучевой эпитаксии (МЛЭ) от ионно-лучевой имплантации (ИИ) - это то, что в первом случае процесс идет в равновесных условиях, а во втором условия образования неравновесные;
На сегодняшний день большое внимание уделяется молекулярно-лучевой эпитаксии как методу получения самоупорядоченных наноразмерных структур на поверхности. Однако тщательная обработка поверхности образца перед эпитаксией, требование к сверхвысокому вакууму уступают во времени и трудоемкости условиям проведения ионной имплантации, которая не требует вышеперечисленных стадий. Ионная имплантация более экономичный метод. Из литературы остается не ясно: возможно ли получение этим методом наноразмерных самоупорядоченных SiGe структур с квантовыми свойствами в объеме положки Si. 1.. Показано, что применяемые методы и, прежде всего метод молеку-лярно-лучевой эпитаксии, позволяют создавать квантово-размерные структуры только на поверхности полупроводниковых материалов, что однозначно приводит к следующим недостаткам и трудностям: - Дороговизна, сложность и большой бюджет времени для реализации даже одиночных процессов. В массовом производстве эти методы практически мало эффективны. — Полученные к настоящему времени результаты описывают только возможность получения структур на поверхности и, следовательно, для созда ния многослойных и трехмерных структур, возможно, необходимо рассматри вать новые механизмы. Так механизмы, описывающие процесс самоорганиза ции, в основном базируются на известных представлениях Странского Крастанова, которые возможно не пригодны для описания объемного (ионного) синтеза. 2. Приводимые из литературы результаты касаются, главным образом, системы Si-Ge, тогда, как синтез наноразмерных структур, на других, в том числе на многокомпонентных полупроводниках, развивающийся как самостоятельное направление, содержит значительно большее количество проблем, которые предстоит решать в будущем. 3. Радиационные методы формирования наноразмерных структур находятся в зачаточном состоянии, хотя внимательный подбор опубликованных фактов дает возможность заключить, что в будущем эти методы могут стать одним из основных направлений в решении рассматриваемой проблемы. 4. Несмотря на то, что в литературе можно найти отдельные попытки создания единой теории формирования наноразмерных структур с учетом явления самоорганизации, создание такой теории видимо дело будущего. В связи с выше перечисленным, необходимо изучить свойства кванто-воразмерных SiGe наноструктур, полученных методом ионной имплантации. Определить механизмы образования таких структур.
Кристаллическое совершенство слоя и подложки (рентгеноструктурный анализ)
Рентгеноструктурный анализ и рентгеновская топография /29/ имплантированного германием кремния выполнен на рентгеновском дифракто-метре фирмы "Bede Scientific Instruments Ltd.", Великобритания. Преимущества метода: 1. Метод рентгеновской топографии применим для исследования протяженных кристаллов, включая их субзерна или другие дефекты, которые не дают контраста в методе Ланга. 2. Контраст на макроскопических эффектах (например кривизна подложки) отделяются компьютером от контраста на дефектах. 3. Контроль Брэгтовского угла — неотъемлемое свойство системы и не требует специальных алгоритмов или механизмов. 4. Использование широкого спектрального диапазона, включая Каг обеспечивает меньшее время экспозиции. Уникальный алгоритм коррекции спектра позволяет получить изображение без размытий и потери в разрешении. 5. Разрешение лимитируется только электронным детектором- легко достигается 10 мкм. 6. Не требуется фотографирование, т.к. изображение получают сразу в цифровой форме. В качестве детектора использовали Photonics Sciences FDI2 камеру с размером пикселя 10 мкм, которая позволяет получить полосу изображения шириной примерно 10 мм. Использование электронной обработки изображения позволило получить изображение с эффективным размером пикселя 20 мкм. В приборе использовали геометрию вертикального падения пучка со следующими параметрами: - расстояние от источника до образца - 205 мм; - щель перед источником 0.5 мм; - расстояние от образца до детектора 19 мм; - образец сканируется по оси X с шагом по оси Y; - использовали отражение (224). Для получения рентгеновской топографии использовали отражение 224 скользящего падения, т.к. оно наилучшее для наблюдения дислокаций. Положение образца установлено по кремниевому пику. Дислокации в имплантированных областях должны быть видны благодаря создаваемым ими упругим напряжениям в подложке. На рис. 2.2. приведена рентгеновская топография имплантированного германием кремния. Равномерный серый цвет изображения свидетельствует о высокой степени совершенства кремния. Большая интенсивность видна как более темный контраст на изображении. Полосчатая горизонтальная структура появилась вследствие работы установки, а не обнаруженных дефектов. Дислокации обнаружены не были. Незначительная горизонтальная полосчатость проявляется вследствие колебаний держателя образца. Черные линии с правой стороны образца появились вследствие рассеяния на царапине на поверхности (от скрайбера). Несколько мелких точечных дефектов видно по всему образцу. Нельзя с уверенностью сказать, связано ли появление этих дефектов вследствие проведенной имплантации, однако на образцах совершенного кремния такие дефекты не наблюдаются. Наблюдаются несколько протяженных дефектов, проявившихся от упругих напряжений от царапин на тыльной стороне образца. Царапины на тыльной стороне четко видны не вооруженным глазом и совпадают с положением дефектов на изображении. Исследование образцов методом дифракции высокого разрешения (рис. 2.3.) показало, что подложка имеет отклонение от плоскости 111 на 5. Пик на -325 arcsec на первом спектре — артефакт, возникающий вследствие утечки интенсивности через коллиматор. Этого пика не наблюдается при использовании двух коллиматоров. В обоих случаях сигнал от имплантированного слоя (на - 2600 arcsec) слабый. Размытость пика свидетельствует о тонком слое или изменении состава и/или релаксации упругих напряжений в слое. Так как пик слоя слаб, было решено провести исследования в трех осях только с одним коллиматором, несмотря на сопутствующий пик. Полученная таким образом карта обратного пространства представлена на рис. 2.4. Общее время сбора данных — 12 часов 48 минут, накопление сигнала 1,5 сек на точку, со область сканирования 8000 X 8000 arcsec, размер шага 60 arcsec. По данным исследования зеркального рентгеновского отражения (рис. 2.5.), образец состоит из трех основных слоев (табл. 5) - кремниевой подложки, слоя твердого раствора SiGe и оксида кремния.
Модель кластеризации атомов, однородно распределенных по объему кристалла
Плотность верхнего слоя (оксида) имеет меньшую плотность, чем Si02. Границы раздела кремниевой подложки и GeSi слоя размыты, сам слой расположен симметрично относительно максимума распределения германия, что совпадает с данными ВИМС.
Изучение топографии слоя и неоднородность распределения германия в твердом растворе Si - Ge проводили после химического травления в 33% - ном растворе КОН в течение 25 секунд при 100С, которое позволило стравить приповерхностный слой до уровня, с максимальным содержанием германия /30/. Полученную после травления поверхность исследовали: - атомно-силовой микроскопией (АСМ) - для изучения топографии полученной поверхности; - растровой электронной микроскопией (РЭМ) - для изучения картины распределения германиевых кластеров по поверхности. Сканирующая силовая микроскопия является методом реального изображения, который может производить картину рельефа поверхности с атомной разрешающей способностью во всех трех направлениях. Вертикальная разрешающая способность ЛСМ — ангстремы, горизонтальная разрешающая способность АСМ обычно около I нм. Трехмерный, количественный характер данных АСМ позволяет проводить количественный анализ поверхности, которая может иметь включения размером 10 нм и менее. К сравнению, области исследования оптического или пишущего профилометров составляют в среднем несколько сотен ангстрем в лучшем случае, а в основном -это микроны. Анализ рельефа поверхности полученных структур производился с помощью атомно-силового микроскопа "Smena-B" производства фирмы NT-MDT (Россия). Картины во вторичных электронах получены на установке оже - спектроскопии "РНТ-680" фирмы "Physical Electronics" (США). Энергия пучка первичных электронов составляла Е = 10 кэВ, а ток j = 10 мА, при этом диаметр пучка не превышал 20 нм. Контраст РЭМ обеспечивается вторичными электронами, получившими достаточно энергии от первичного пучка для выхода в вакуум с поверхности. На поверхности после травления методом АСМ выявлена упорядоченная по размерам структура. Рельеф (рис. 2.6.) обусловлен различной скоростью травления кремния и германия (германий травится медленнее). Представления о размерах элементов, образующих структуру на поверхности, можно получить из рисунка 2.7, который свидетельствует, что сформированная структура имеет элементы нанометровых размеров. По данным АСМ (рис. 2.8.) видно, что области, с повышенным содержанием германия, имеют куполообразную форму, средний латеральный размер которых составляет 50 - 70 нм, высота - 7 - 10 нм. Исследования методом растровой электронной микроскопии дали аналогичные АСМ результаты (рис. 2.9). Области, обогащенные германием, имеют латеральные размеры 50 - 70 нм и упорядочены в пространстве, расстояния между кластерами в первой координационной сфере состоят из трех основных групп (рис. 2.10). Плотность островков равняется— 10 см , что соответствует рассчитанной плотности дислокаций для слоя состава Sio.sGeo и толщины 90 нм. На не травленных химически образцах на поверхности области обогащенные германием обнаружены не были. Элементный состав бугорков и матрицы определяли методом электронной оже-спектроскопии с высоким пространственным разрешением. Определение элементного состава областей, обогащенных германием, проводилась на установке электронной оже-спектроскопии PHI-680 электронным пучком с энергией 10 кэВ, током 10 мА. Обычно относительное разрешение оже-анализатора составляет 410" (разрешающая способность 250). При таких условиях абсолютное разрешение при энергии оже-электронов 50 эВ будет составлять 0,2 эВ, что более чем достаточно, и при 1000 эВ оно составит 4 эВ /31, 32,33/. В установке PHI-680 сверхвысокий вакуум (10 10 мм.рт.ст.) достигается с помощью турбомолекулярного и гетеросорбционных насосов. Наличие разделяющего клапана между камерой загрузки образца и исследовательской камерой позволяет постоянно поддерживать вакуум в ней на рабочем уровне. Метод ЭОС очень чувствителен к присутствию в рабочей камере различных углеводородов и кислорода, которые адсорбируются на поверхности исследуемых образцов. Для удаления слоя адсорбированных углеводородов и оксида использовали ионное травление ионами Аг+ в растре 1x1 мм с ускоряющим напряжением 3 кэВ.
