Ближний порядок, концентрационный профиль элементов и спектральные характеристики пленок низко - и высококоординированых некристалических сплавов GeхASу,S1-х-у и a-Si1-хNх:H тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

б ОД

,~го УДК 539.213.535.21

' д]і! іуЬо

Герасимов Віталій Вікторович

БЛИЖНІЙ ПОРЯДОК, КОНЦЕНТРАЦІЙНИЙ ПРОФІЛЬ ЕЛЕМЕНТІВ ТА СПЕКТРАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛІВОК НИЗЬКО- ТА ВИСОКОКООРДИНОВАНИХ НЕКРИСТАЛІЧНИХ СПЛАВІВ СехА5у8і.х.у ТА а-8іьх^:Н

Спеціальність 01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-магематичних наук

ЧЕРНІВЦІ - 1998

Дисертація є рукопис

Робота виконана на кафедрі твердотільної електроніки Ужгородського державного університету

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент, с.н

МІЦА ВОЛОДИМИР МИХАЙЛОВИЧ Ужгородський державний університет

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

ШПОТЮК ОЛЕГ ЙОСИПОВИЧ Заст. ген. директора НВП "Карат", м. Львів

доктор фізико-математичних наук, професор ВЕНГРЕНОВИЧ РОМАН ДМИТРОВИЧ Чернівецький державний університет, завідуючий кафедри загальної фізики

Провідна організація: Інститут фізики напівпровідників НАН

України, м. Киів

Захист відбудеться 29 травня 1998 року о 15м год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 76.051.01 при Чернівецькому державному університеті ім. Ю. Федьковича за адресою:

274012 м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Чернівецького державного університету ім. Ю. Федьковича (м. Чернівці, вул. Лесі Українки, 23)

Автореферат розісланий 28 квітня 1998 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої Ради

КУРГАНЕЦЬКИЙ М.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми 3 числа плівкоутворюючнх матеріалів, які за останнє десятиріччя набули широке використання в мікро- та оптоелектроніці є аморфний гідрогенізований кремній (а-5і:Н) та сплави на його основі, про що свідчить переважна кількість доповідей по групі некрісталічних, напівпровідникових матеріалів на міжнародних наукових конференціях. Підвищена увага до аморфного кремнію, як перспективного матеріалу пояснюється великими успіхами, досягненими в області приладобудування на його основі. Перш за все це елементна база галузі мікроелектроніки: сонячні елементи, фотоперетворювачі, сенсори різного

призначення і т.п.

Інша група некристалічних напівпровідникових матеріалів, яка знайшла вже широке використання в опто- та мікроелектроніці, е халькогенідні склоподібні напівпровідники (ХСН). Важливою особливістю плівок ХСН с можливість реалізації широкого набору показників заломлення з невеликим значенням коефіцієнтів оптичного поглинання, що важливо при використанні плівок в якості інтерференційних структур. До переваг цього класу некристалічних матеріалів відносять: високу прозорість у широкому спектральному діапазоні, радіаційну стійкість, можливість варіації складу для модифікації властивостей і т.д. Технологія отримання плівкових інтерференційних структур базується, в основному, на методі термічного вакуумного напилення [1]. В [2] було висунуто допущення, що в процесі термічного напилення плівок типу а-Ое52 формуються неоднорідні перехідні області

- границя розділу "плівка-підкладка" (до ЗО нм) та "плівка - зовнішнє середовище" (до 5 нм) з різним хімічним складом та структурою по відношенню до центральної частини плівки. Ця обставина вказує на те, що застосування плівок типу а-Се32 як компоненти в надгратках і високозаломлю-

ючих шарах інтерференційних структур потребує детального вивчення. Відомо, що для цієї мети вже використовуються бінарні плівкоутворюючі стекла А52(5,5е,Те)3. У найбільш розповсюджених високоякісних діелектричних плівках Бі02 ширина перехідної області 8іО, не перевищує 1 нм [3].

Сумісність технологічних процесів отримання плівок а-8і.Н та його сплавів з стандартними процесами виготовлення інтегральних схем, а також успіхи в вирішенні проблеми підвищення швидкодії тонкоплівкових польових транзисторів, детекторів різного призначення, надграток на основі а-Бі.'Н відкривають реальні можливості для переходу до виготовлення трьохвимірних схем з високим ступенем інтеграції. Визначальний вплив ближнього порядку плівок на властивості невпорядкованих матеріалів та процеси метастабільних перетворень у них формують необхідність одержання інформації про ближній порядок в некристалічних напівпровідниках при еволюції складу (середнього координаційного числа).

Об'єднуючим началом двох груп некристалічних метеріалів (ХСН та а-5і(Ое):Н є механістична модель Торпа-Філіпса [4].

Тому представляло інтерес провести дослідження по впливу зміни складу плівок А5283-Се52, СехТеі_* та азотованих а-Эі:Н плівок на основі матеріалів з низьким та високим значенням середнього координаційного числа (X) на наявність у них перехідних областей та стабільність в процесі природнього старіння.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дана робота виконувалась в лабораторії кафедри твердотільної електроніки при Ужгородському Державному Університеті в рамках грантів ДКНТ: "Розробка технологій отримання склоподібних халькогенідних напівпровіднікових матеріалів для оптичних елементів 14 області спектру", шифр 5.4.405/001-92; "Розробка технології одержання проміжкових контрастуючих шарів, оптичних датчиків герметичності та антиблікових покрить на основі складних стекол для електролюмінісцентних індикаторів'1, шифр 05.44.06/009-92; Держбюджетної теми "Середній порядок та структурний фазовий перехід в широкозонних склоподібних напівпровідниках”, шифр ДБ - 349 Міністерства Освіти України.

Метою цієї роботи було виявлення неоднорідних областей, мікронатягів на межі розділу "плівка-підкладка", з'ясування типу ближнього порядку в аморфних плівках на основі стекол системи Ое-Аї-Б і а-5іі_х!\'х:Н при варіації складу (середньої координації) та моделювання впливу неоднорідностей структури і показника заломлення на межах розділу на спектральні характеристики одно- та багатошарових інтерференційних структур.

Для досягнення цієї мети потрібно вирішити такі задачі:

• розширити комплекс методів для виявлення перехідних областей плівка-підкладка у плівках А528з-Се82, СехТеі.„ (2=2,■4-3,0) та а-8і|.,Мх:Н (2<4) з різним середнім координаційним числом 2;

• з'ясувати характер товщинної залежності величини напружень в плівках з різним середнім координаційним числом Z;

• провести спектроскопічні дослідження структурних особливостей плівок а-5і|.хМх:Н в області малих концентрацій х(х<0.1);

• провести розрахунки по виявленню впливу розмірів перехідного і приповерхневого шарів в плівках ЛігКа-бсЗі, ОехТеі.х, а-Бі^М^Н на хід кривої пропускання інтерференційних структур різного типу (одиночних шарів на різних підкладках, вузько- та широкосмугових, відрізаючих фільтрів).

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає у тому, що вперше пророблено комплексне дослідження перехідних областей у некристалічних плівках з різним координаційним числом (2), зокрема:

з

1. У рамках здійснення оптичної томографії некристалічних тонких плівок використано поєднання коливної спектроскопії та профілечутливого методу вторинної іонної мас-спектрометрії (ВІМС).

2. Зроблений аналіз напружень в процесі росту плівок на підкладці з кремнію та скла, та їх адгезійної міцності плівок А525з-Се52, а-8і|.,^:Н.

3. Встановлено особливості ближнього порядку і розподілу елементів у плівках а-8і|.хМ,:Н прп варіації складової ІЧН3 у вихідній суміші в області малих концентрацій (х<0.1).

4. Досліджено вплив умов отримання плівок на основі с-ОеТе на зміну структурної досконалості та оптичні властивості плівок.

5. Визначені умови часової стабільності структури плівок а-8іі.хІМх:Н при різному значенні х.

6. Вперше проведено моделювання впливу шарувато-неоднорідного профіля показника заломлення некристалічних плівок на основі матеріалів з низькою та високою координацією на хід кривої пропускання одиночних та багатошарових структур з високозаломлюючим шаром на основі некристалічних плівок .

Практичне значення отриманих результатів полягає:

• у встановленні області часової стабільності плівок а-5іі_хМх:Н при різких значеннях х (х<0.1);

• визначено розміри перехідних областей плівок шарів Аэ^з-ОеЗг, СехТеі.х, а-8іі.хМх:Н, що впливають на хід кривої пропускання при побудові одно- та багатокомпонентних інтерференційних структур на їх основі в різних спектральних ділянках роботи оптичних елементів (480-10000 нм).

• модель структури плівок для різних значень середнього координаційного числа (2) може бути використана при підборі високозаломлюючих променевостійких шарів для створення захисних та просвітлюючих покрить оптичних елементів силової оптики.

На захист виносяться такі основні положення:

1. На основі аналізу коливних спектрів, ВІМС профілю, величини напружень

та адгезійної міцності пропонується модель структури ваку-

умного конденсату некристалічних сплавів з різною середньою координацією.

2. Поведінка величини напружень у плівках А5283-Ое52 на межі розділу плівка-підкладка.

3. Локальна координація атомів у плівках а-5іі_хМх:Н при різному значенні х (х<0,1) та розподіл елементів по товщині цих плівок.

4.Вплив шарувато-неоднорідної структури плівок А52$з-Се$2, а-5і|.хНх:Н та а-СеТе на хід кривої пропускання інтерференційних одиночних структур з оптичною товшиною АУ4 та Х/2 та впливу шарувато-неоднорідної структури високозаломлюючого шару на спектральні характеристики інтерференційних фільтрів різного типу в різних спектральних ділянках

(480-10000 нм.).

Особистий внесок здобувача.

Особистий внесок дисертанта полягає: [1-5] у проведенні розрахунків розподілу хвильового поля в трьохшаровій інтерференційній структурі; дослідження концентраційного розподілу основних елементів в плівках системи Ое-Аї-Б; в узагальненні та обговоренні даних по деформаціям та адгезійної міцності в тонких плівках типу А8х(Се82)|.х ; здобувачем прийнята участь в обговоренні моделі вакуумного конденсату з різним координаційним числом; [6-11] у проведенні досліджень КР та 14 спектрів плівок а-5іі_х^:Н, обговоренні результатів; у [12-14] проробив математичне моделювання спектральних характеристик інтерференційних структур з застосуванням розробленої здобувачем програми для розрахунків на ЕОМ.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати, представлені в дисертації, доповідалися і обговорювалися на наукових конференціях, зокрема: VI міжнародна конференція по структурі некристалічних матеріалів (Прага, 1994, Чехія); Международний семінар по сучасним технологіям в багатокомпонентих плівкових структурах (Ужгород, 1994; 1996, Україна); XXIX міжнародний колоквіум по спектроскопії (Лейпціг, 1995, Німеччина); VIII міжнародна конференція по плівкам та межам розділу (Осака, 1996, Японія); Школа ЫАТО по сучасним дослідженням в області некристалічних напівпровідників в оптоелектроніці (Кишинів, 1996, Молдова); XXIII Європейский конгрес по молекулярній спектроскопії (Балатонфюред, 1996, Угорщина); X міжнародна конференція по спектроскопії з міжнародною участю (Ланшкроун, 1995, Чехія); VI міжнародна конференція по вакуумній технології (Блед, 1995, Словенія); IV Міжнародна конференція по фізиці та технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 1994, Україна); XIII Національна школа з міжнародною участю по спектроскопії молекул та кристалів (Суми, 1997, Україна); XX Угорська конференція по спектрохімії з міжнародною участтю (Дебрецен, 1997, Угорщина),

Публікації. По матеріалам, викладеним в дисертації, опубліковано 14 робіт, включаючи 5 статей в міжнародних журналах та матеріалах доповідей на конференціях. Список основних публікацій приведено в кінці автореферату.

Структура та об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, одного розділу, присвяченого літературному аналізу та постановці проблеми досліджень, трьох розділів із викладом оригінальних експериментальних даних і списку використаних джерел. Налічує 121 сторінок машинописного тексту, 40 рисунків, 4 таблиці та 119 бібліографічних назв.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету роботи та завдання дослідження, наведено основні положення, які виносяться на захист, визначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі "Особливості структурних досліджень і специфіка межі розділу "плівка-підкладка" вакуумних конденсатів" проведений аналіз відомих результатів теоретичного та експериментального характеру по проблемі перехідних шарів у вакуумних конденсатах. У цьому розділі розглянуто структурну інтерпретацію коливних спектрів склоподібних сплавів типу а-А$2$з та а-Ое82. Зосереджена увага на теоретичній моделі динамічної стійкості в стеклах типу ОехА5}3|.ч. в рамках механістичної моделі Філіпса-Торпа. Модель пояснює механічні та структурні властивості стекол через середне число обмежень на атом, або середне координайційне число (2). Система наближається до механічного порогу шляхом переходу до пружньо жорсткої системи, коли середнє координаційне число обмежень на атом наближається до трьох.

Також розглянуто теорію інтерференційного підсилення КР сигналу, яка була розвинута і застосована для реєстрації структури ближнього порядку перехідних областей в тонких та надтонких плівках.

Узагальнені літературні дані по перехідних структурно-неоднорідних шарах між підкладкою та плівкою у різних плівкових системах, зокрема оксидних. Вказано на існуючу проблему структурно-хімічної неоднорідності у плівках диоксиду кремнію, де мінімальна товщина перехідної області 8іОх між кремнієвою підкладкою та його диоксидом становить порядку 1 нм. Сформульовано задачі досліджень для плівок низько- та висококоординованих некристалічних матеріалів.

У розділі 2 "Розподіл елементів по товщині, локальна координація атомів, макронапруження та модель структури низькорозмірних плівок (1<3) на основі стекол ОвхАз^Те)!.,^," з метою виявлення та визначення товщини структури перехідних шарів "плівках-підкладка" проведені дослідження по розподілу основних

елементів, локальної координації атомів та деформацій у низькорозмірних плівках (Z<3) на основі стскол GcvAsyS(Te)|.x.y.

Проведено розрахунки розподілу інтенсивності світлової хвилі КР сигналу всередині плівки a-CeS2, застосовуючи трьохшарову інтерференційну структуру типу XCH-SiC>2-Al-S. Розрахунки розподілу світлової хвилі Е2 в плівці ХСН з використанням даних про оптичні властивості шарів, які входять до складу трьохшарової структури, проводили по формулі:

Е2(х)= {l+r2jp2(dl-!‘)+2r2.,p(dl-^cos[47m,(d,-% -Л23]} х

х ______________LhliU!_________________________

l+r|2rrf(32di cos ( 4я n, d, lX _ Лг Лм)

де P=c'°

a - коефіцієнт поглинання плівки;

г2з - амплітуда відбитої хвилі в плівці на межі Si02-XCH;

Г) - амлітуда відбитої хвилі; di - товщина шару ХСН;

П| - показник заломленя ХСН;

Лі - фазовий зсув;

Л2з- фазовий зсув, який створюється на границі Si02-XCH.

Зміна оптичної товщини плівки ХСН або адаптаційного шару Si02 і робочої довжини лазеру приводить до зміни положення максимуму інтенсивності світлової хвилі всередині або на поверхні плівки ХСН, і, таким чином, стає можливим отримувати інформацію про структуру перехідних шарів "плівка-підкладка” та центральну частину плівки.

Базуючись на результатах досліджень коливних спектрів об’ємних стскол a-As2S3 та одержаних плівок на їх основі при дискретному термічному напиленні, у випадку коли мас місце підплавленняя плівки як перегрітим випаровувачем, та і молекулярним пучком, структура плівки наближається до структури вихідного монолітного скла і може бути описана в термінах пірамідальних структурних одиниць з потрійною координацією миш'яку по сірці і середньою координаццісю по Торпу і Танаці Z= 2.4.

Приводяться та обговорюються результати експериментального дослідження впливу швидкості випаровування на склад та структуру плівок на основі с-ОеТе. Встановлено, що зниження швидкості випаровування до У=0.4-0.5 нм/с приводить до

d. в іди. одн.

Рис.І. а) модель шарувато-неоднорідної плівки вакуумного коденсату на основі стекол систем Ge-As-S(Te) при різному значенні Z: As2S3 (d=10 нм, Z=2,4); GeS2 (30 нм, Z=2,66); Ge2S3 (400 нм, Z=2,68); Ge-Te (JOhm, Z=3,0);

б) профіль показника заломлення плівок a-GeS2 при Х.=632,8 нм.

втрати важколеткої компоненті! і супроводжується частковою кристалізацією з виділенням тригонального телура. При швидкості випаровування речовини V=4 нм/с спостерігається формування складу, який попадає в область нестабільного склоутворення системи Ge-Te. Відпал свіжеотриманої плівки Се}3Те(л приводить до зміщення краю поглинання та зміни показника заломлення плівки (Дп=0.5).

По даним дослідження деформацій шляхом хімічного травлення у плівках системи Asx(GeS2)і-х чітко спостерігаються три участки на кривій залежності величини напружень від товщини. В приповерхневій області ці дані вказують на зміну знаку внутрішніх напружень, так як у початковий момент травлення стан плівок AsK(GeS2)|.x характеризується макронапруженнями стискування, які описуються сорбційною моделю їх виникнення. У центральній частині плівки спостерігається величина деформацій, яка характерезується досить щільною упаковкою молекулярних ланцюжків з постійним рівнем макронапружень, що відповідає власним

напруженням в плівках А5х(Ос82)і_х. У області ‘плівка-підкладка’ товщинна залежність вказує на значні пластичні деформації зсуву за рахунок неоднорідної фазової структури перехідного шару та розриву молекулярних ланцюжків Се-5 на початковій стадії росту плівок. Це проявляється в знятті напружень починаючи з товщини приблизно 40 нм. Напруження в області товщин 10-40 нм досягають значення 10-20 МПа, які відповідають власним напруженням плівок Ое82 (2.0х107 Па). Проаналізовано поведінку величини напружень у плівках А5х(Ое52)і-х в процесі їх одержання.

Базуючись на результатах вимірів величини напружень в пльївках, робиться висновок про існування перехідної області між плівкою та підкладкою (товщиною до 50 нм) та її збагаченням германій складовими Се^цх).* (х>33-50) в порівнянні з центральною частиною плівки (х=33).

На підставі даних, викладених у розділі 1 побудовано модель шарувато-неоднорідної структури плівки (рис.1,а). Виявлено, що товщини перехідних областей у досліджених плівках мають змінний характер. Найбільша товщина перехідних областей спостерігалась у плівках типу а-Сс82 - 2^=2,66 (до 30 нм), найменша (1,0 нм) -у плівках АїгБз - г=2,4 , СехТсі.х - г=ЗД

У третьому розділі "Концентраційний профіль елементів, локальна координація атомів, модель структури плівок типу а-$і|.хМх:Н" приведені дані про склад і структуру плівок а-5і|.^х:Н. У розділі пророблений комплексний аналіз по вивченню локальної координації атомів у плівках а-8іі.хІЧх:Н, отриманих методом осадження з газової суміші. Плівки були отримані шляхом розпилення суміші [8іН4+Н2+МНз] при варіації ЬІНз складової, вміст якої складав 0, 2, 6 та 10 %. З даних по вивченню ВІМС-профіля зроблений висновок про флуктуаційний розподіл водню по всій товщині плівки, а при концентрації N1^3 у суміші 10 %, його рівень досягає рівня, характерного для чистого а-8і:Н.

Оцінка величини швидкості травлення (V,.) досліджувальних плівок іонами кисню 0+ показує, що при концентрації Ї\ІН3 в суміші рівній 0, 2, 6% то V,, дорівнює 2.2-2.3 нм/хв, а при 10% Уе=1нм/хв. Такс підвищення Уе для азотованих плівок на основі 10% МНз свідчить про зниження їх стійкості до дії іонів кисню. В області складів на основі 10% МНз мікроструктура плівок змінюється від суцільної до стовпчатої.

По даним В1МС профіля плівок а-8і|_хМх:Н було зроблено висновок про відсутність (в межах-1 нм) перехідних областей на межі "плівка-підкладка".

Частота, cm"1

Рис.2 14 спектри плівок a-Si|.vNx:H при різному значенні х:

1-0; 2-0.02; 3-0.06; 4-0.1 .

З аналізу 14 спектрів (рис.2) плівок a-Si|.xNx:H слідує, що при х=0.02 спостерігасться смуга при 850 см'1. Подібна смуга, характерна для

Si-N зв'язків плівок a-Si|.xNx:H, збагачених азотом. Велику напівширину складної смуги можна пояснити накладанням коливань від двох типів локального оточення яким відповідають смуги при 850 см'1 та 790 см’1, деформаційних коливань N-H зв'язків при 1180 см'1 і SiH2 при 850 см'1. Перерозподіл зв'язків в a-SixN|.x;H плівках на перевагу локального оточення Si азотом, подібному a-Si3N4 приводить до різкого зростання ширини псевдозабороненої зони в плівці. Моделювання структури плівок a-Si).xNx:H (в області малих значень NH3 в суміші) в рамках моделі випадкових зв'язків свідчить про можливість утворення тетраедрів [Si-NH(NH)], Si-HN2(NH) та тетраедрів Si-Si^Nj з Sí-Si зв'язками. Зв'язки Si-N та N-H утворюються в тетраедрах типу Si-N4_j(NH)¡, і=0-4.

Спільний розгляд результатів моделювання структури, аналіз коливних спектрів і положення краю поглинання дає змогу зробити висновок, що з збільшенням вмісту NHi в суміші в плівках a-Si|.xNx:H створюється локальне оточення подібне а-SijN4.

Аналіз KP спектрів плівок a-Sii.xNx:H основаних при х=0.02та0.1, які були отриманні в 1991 році, показує, що при природньому старіні на протязі чотирьох років суттєві зміни мають місце в плівці при х=0.02. На це вказують KP спектри плівок представлених на рисунку 3. KP спектр плівок a-Si|.xNx:H при 0.02 на відміну від свіжеотриманого, зазнає значних змін. В спектрі спостерігається інтенсивна смуга при 491 см'1, яка має малу

напівширину. Також спостерігається зсув "вагового центру" КР спектру в область локалізації Ш коливної моди кристалічного Бі. У випадку плівок а-5і|.кМх:Н при 0.06 та 0.1, їх коливні спектри слабо відрізняються від коливних спектрів свіжоотриманих плівок.

Відсутність значних змін в в коливних спектрах цих плівок вказують на те, що при концентраціях N1-13 в реакційній суміші більш ніж 2%, стабілізується аморфний стан в півках а-8і|.хМх:Н (х>0.02). Відсутність змін в позиції краю поглинання в плівках на протязі всього строку їх зберігання свідчить на користь цього припущення. В плівках з х=0.02, положення краю поглинання зазнає зміщення на +ДЕ=0,1еВ в високоенергетичну область в порівнянні з краем поглинання свіженапиленої плівки. В цій області також лежить край поглинання с-Бі, що свідчить про кристалізацію плівок а-5і|.^х:Н з малим вмістом азоту (х<0.02).

У четвертому розділі ‘Моделювання спектральних характеристик

інтерференційних структур на основі шарувато-неоднорідних та однорідних високозаломлюючих шарів вакуумного напилення та плазмохімічного осадження’ пророблені математичні розрахунки по впливу шарувато-неоднорідних областей на хід кривої пропускання тонкоплівкових інтерференційних структур. Розрахунки проводилися за допомогою розробленої програми для ЕОМ.

Рис.З. КР спектр плівок а-5ц.хЫх:Н після чотирьох років зберігання:

1. - при х=0.1; 2. - х=0.02.

Моделювання здійснювалось на Х/2 та Х/А структурах при варіації розмірів перехідних шарів та зміні загальної оптичної товщини неоднорідних плівок.

Результати моделювання вказують, що наявність перехідних областей приводить до зміни положення і рішія пропускання н екстремумах інтерференційної картини.

Пророблено моделювання вилину неоднорідної структури плівки на параметри багатошарових інтрференіґшпх структур - оптичних інтерференційних фільтрів. В якості робочих довжин хшіль для розрахунків (А.ц) використовувалися ДОВЖИНІ! хвиль, в яких випромінюють аргоновий, геліи-нсоповий, криптоновий, СО та С02 лазери.

Для моделювання вибирались елементарні І І-ти шарові фільтри слідуючих конструкцій: ВНВ...2В...ВНВ (вузькосмуговии); 2ВН2В...2ВН2В (смуговий),

ВНВ....НВН (відрізаючий).

Моделювання здійснювалось для випадку шарувато-неоднорідного високозаломлюючого шару. Як вказують результати моделювання, неоднорідність шару з низьким показником не приводить до суттєвих змін в інтерференційній кривій пропускання фільтру.

В якості моделі високозаломлюючого шару була використана простіша модель (рис.16) шарувато-неоднорідної плівки а-веЗі з одним перехідним шаром (сіз). Загальна оптична товщина плівки в цьому випадку: піі=іьіі2+Піі1і, де іь, сі?. показник заломлення та геометрична товщина центральної області, П; і її;, - показник заломлення та геометрична товщина перехідної області плівка-підкдадка.

Збільшення розмірів перехідної області збільшус: оптичну товщину цілого шару. Варіюючи її з від 0 (ідеальний випадок) до іІ;=30нм, було просліджено вплив шарувато-неоднорідної будови високозаломлюючого шару на основі а-Сс32 на спектральні характеристики 11-шарових елементарних фільтрів. Дані розрахунків вказують на тс, що ріст січ проводить до замітного зсуву 7ц, вбік зростання довжини хвилі і для сі ,=20нм АХ дорівшос 20нм.

Прн зростанні ИісЬ відбувається поступове збільшення напівшприни вузькосмугового фільтру. При виборі робочої ДОВЖИНІ! ХВИЛІ А.= 1060нм, відносний зсув стає вже менш помітним.

Залежність АХ від сії практично не проявляє, коли А.« локалізовано в 14 області спектру.

Нормуючи АХ/Хп, отримуємо, що при Х=480; 1060; 3500нм величина ДА/А.0'ЮО% складає відповідно 5,2;2,35;0,71. З цього слідує, що вплив перехідної області практично не відчувається на спектральні характеристики фільтрів 14 діапазону.

Подібна ситуація спостерігається також для смугових фільтрів. Якщо при \=480нм зростання і1? приводить до суттєвих зсувів коротко лк та довгохви-

X , А

Рис.4 Графік залежності Т( ) для 11-ти шарового інтерференційного відрізаючого фільтру при варіації оптичної товщини високозаломлюючого шару.

льових д границь фільтру в область більших довжин хвиль (рис.4), то при =1050нм зсув K(d.O і „(dj) стає менш істотнім.

Для відрізаючих фільтрів характерним є підвишення рівня "фону" з рівня Тф 0 % до Тф 2 % (рис.4), та зсуву кривої пропускання в довгохвильову ділянку спектру.

При виборі робочої довжини хвилі фільтрів в середній 14 області спектру вплив експериментально виявлених перехідних областей у плівках типу a-GeS2 стає значно меншим.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. У поєднанні методів коливної спектроскопії та вторинної іонної мас-спектрометрії здійснено оптичну томографію для виявлення перехідних областей у плівках (As2S3)|.x(GeS2);„ a-Si|.,Nx:H, a-GexTei.x. На основі одержаних даних побудовано моделі шарувато-неоднорідної структури плівок з високою та низькою координацією. Виявлено, що товщини перехідних областей у досліджених плівках мають змінний характер. Найбільша товщина перехідних областей спостерігалась в плівках типу a-GeS2- Z=2,66 (до ЗОнм), найменша - у плівках As2Sr Z=2,4, та a-Si|.xNx:H - Z 4 (до Ihm ). Збільшення товщини перехідної області ’’плівка-підкладка" при переході від As2S3 до GeS2 (зростання Z ) пояснюється переходом від низько- до високотемпературного процесу дискретного напилення і відповідно ростом степені дисоциативного характеру випаровування стекол, близьких по складу до GeS2 (Z=2,66).

2. Проаналізовано вплив швидкості випаровування c-GcTe на структуру та оптичні властивості плівок. Виявлено, що при малих швидкостях конденсації речовини (V<4 нм/с) відбувається збіднення плівок GexTei_x германієм та фомуванням складу відмінного від вихідного c-GejoTe5o, який підпадає в область нестабільного склоутворення. Згідно даних аналізу ВІМС профіля розподіл Ge та Те носить рівномірний характер. Відпал плівки a- Ge^Te^ приводить до зміни краю поглинання плівки та зміни показника заломлення (Дп=0,5). Подальше зменшення швидкості випаровування до V=0.2-0.3 нм/с приводить до втрати важколеткої компоненти (Ge) і супроводжується кристалізацією плівки з виділенням тригонального телуру.

3. Виявлена зміна величини напружень в приповерхневому та перехідному плівка-підкладка шарах плівок (As2Sj)].x(GeSj)x, a-Si^N/.H. Значення величини напружень експонеційно зростають приймаючи максимум (0=100 МПа) при товщині порядку d=40 нм в перехідній області "плівка-підкладка" в процесі одержання плівок. При подальшому збільшені товщини плівки спостерігається поступове зниження величини напружень до (0=30 МПа). Поведінка величини напружень в плівках корелює з отриманими даними по вивченню товщинної залежності коливних спектрів та ВІМС-профілів плівкових структур системи (As2S3)|.x(GeS2)x та пояснюється збагаченням перехідної області "плівка-підкладка" германій складовими GexSioo-x (х>30+50).

4. На основі даних аналізу ВІМС профіля в азотованих плівках a-Si|_xNx:H слідує, що розподіл елементів (Si,N) має рівномірний характер по всій товщині плівки. Структурна інтерпретація 14 та КР спектрів вказує на перерозподіл зв'язків

в азотованих плівках з ростом х, яке пов'язується з зміною локального оточення атомів Si. Це проявляється у зменшенні кількості нестійких Si-Si, Si-H зв'язків та їх поступовим заміщенням більш енергетично стійкими зв'язками Si-N, N-H, і формуванням локального оточення Si по азоту подібно до такого, який має місце в a-SijN4.

5. Вперше встановлено, що в процесі зберігання на протязі 4-х років (при нормальних умовах) у плівках a-Sii_xNx:H (х<0.06) відбувається кристалізація з виділенням c-Si. При зростанні х (х>0.06) аморфний стан не зазнає суттєвих змін при зберіганні, і введеня азоту стабілізує аморфний стан плівки. Показано, що технологія ВЧ осадження плівок a-Sii_xNx:H при х=0.06^0.1 є перспективною для отримання високостабільних оптичних покрить.

6. На основі даних про розміри та величину показника заломлення у перехідних шарах плівок As2S3-GeS2 вперше проведено моделювання

впливу шарувато-неоднорідної структури на хід кривої пропускання інтерференційних структур. Розрахунки вказують на вплив розмірів (dn> 1 нм) перехідних областей на хід кривої пропускання, причому суттєвої транформації зазнають екстремуми інтрференційної картини, що проявляється

у їх зміщенні в довгохвильову область спектру (на ДА=50нм, при Аро0=480 нм) та зменшенні значення величини пропускання інтерференційної структури в максимумі від Тмах=96% доТмиі=91%.

7. Здійснено моделювання впливу перехідних шарів на характеристики оптичних інтерференційних елементарних фільтрів різного типу. При використанні в якості високозаломлюючого шару плівки a-GeS2 для вузькосмугових фільтрів виявлено зсув максимума пропускання (Х0) в порівнянні з ідеальним випадком (різкі межі) в короткохвильову область. У випадку відрізаючих фільтрів наявність перехідних шарів в високозаломлюючому шарі фільтру, приводить до збільшення рівня "фонового" пропускання від Тф=0 % до Т<|,=2 % (при А=480 нм). З збільшенням довжини робочої хвилі від А.=480 нм до Х.=1050 нм вплив розмірів перехідної області на фонове пропускання зменшується. Вплив розмірів перехідного шару на оптичні спектри і фонове пропускання фільтру стає нехтуюче малим при довжині хвилі

А=3500 нм.

Перелік цитованої літератури

1. Введенский В. Д. Физические аспекты существования переходных слоев в интерференционных покрытиях // ОМП. - 1983. - №3. - С.12-13.

2. Мица В.М. Колебательные спектры и структурные корреляции в бескислородных стеклообразных сплавах. -Сер. "Новое в науке и технике - студентам, учашимся, слушателям и преподавателям1'.: Учеб. пособие. -К.: УМК ВО, 1992. - 56 С.

3. Бехштедт Ф., Эндерлайн Р. Поверхности и границы раздела полупроводников :

Пер. с анг. - М.: Мир, 1990.-448 С.

4. Thorpe M.F., Cay Y. Mechanical and vibrational properties of network structures Hi. Non-Crys.Sol. - 1989,- V. 114- P. 19-24.

Перелік основних публікацій

l.Gerasimov V., Mitsa V., Babinets Yu. Optical tomography of non-crystalline films while studying by interference enhanced Raman spectroscopy method // XXIX Colloquium Internationale on spectroscopy. In Book of abstract. - Leipzig. - I995.-P.434.

5. Герасимов В.В., Мица В.М. Структура и концентрационный профиль элементов пленок Asx.(GeS2)i.x при дискретном вакуумном напылении// Вакуумная техника и технология. - 1997. - Т.7, №1. - С. 46-49.

3. Gerasimov V., Mitsa V. A layered-inhomogeneous model of the structure of vitreous GeS2- based vacuum // NATO Asi Series. - 1997. - № 3/36. - P. 459.

4. Gerasimov V., Mitsa V., Babinets Yu. Optical tomography of non-crystalline films by interference enhanced Raman spectroscopy // Fresenius Journal Analytical Chemistry. -1996.-№355.-P. 405-407.

5. Fejsa I., Mitsa V., Gvardionov Yu., Hobvach V., Gerasimov V. Spectroscopic determination of the dimensions of clusters in non-crystalline semiconductors // Abstract of 10lh spectroscopic conference. - Lanskroun. - 1995.-P. 19.

6. Блецкан Д.І., Міца B.M., Герасимов B.D. Концентраційний профіль елементів та локальна координація атомів в плівках халькогенідів миш"яку та германію // Тези конференції "Фізика конденсованих сиситем". - Ужгород. - 1998. -С.99.

7. Gerasimov V., Mitsa V. Raman spectra of a-SixN].x films at natural ageing // Journal of molecular structure. - 1997 - № 410-411. - P. 245-248.

8. Gerasimov V., Mitsa V. Concentration profile of elements and structure of a-Sii.xN,:H films//Fizika A. - 1996. -№ 6 - P. 61-66.

9. Gerasimov V., Mitsa V., Fekeshgazy I, Pervak V., Onopko V. Optics and spectroscopy of non-uniform inhomogeneous structure // Proceedings of International workshop on advanced technologies of multicomponent solid films and structure. - Uzhgorod. - 1996. -P. 72.

10. Gerasimov V., Mitsa V., Fejsa I. Concentration profile of elements and structure of a-SixNyHz // Abstract of 6th international conference on the struture of non-crystalline materials. - Praha. - 1994.-P. 166.

11. Gerasimov V., Mitsa V. Raman spectra of a-Si|.xNx:H films at natural ageing//XXIII European congress on molecular spectroscopy. - Balatonfered. - 1996 - P. 20.

12. Gerasimov V., Mitsa V., Babinets Y. Spectral characteristic of non-uniform thin film based on a-GeTe, a-SiN:H, a-GeS2, As2S3//In book of abstract 40-th Hungary conference on spectrochemestry. - Debrecen. - 1997.-P. 46.

13. Gerasimov V. The relaxation of the structure in SixNyHz films and modelling the spectral characteristics of interference structures at natural adeing. // Тези XIII Національної школи-семінару з міжнародною участю "Спектроскопія молекул та кристалів". - Суми. - 1997. - Р.101.

14. Gerasimov V., Mitsa V. Spectral characteristics of vacuum deposited interference film with non uniform refractive index layer of CHIVS // Proceeding of International workshop on advanced technologies of multicomponent solid films and structure. - Uzhgorod. - 1994

- P. 85-86.

АНОТАЦІЯ

Герасимов В.В. Ближній порядок, концентраційний профіль елементів та спектральні характеристики плівок низько - та висококоординованих некри -сталічних сплавів GexAsyS|.x.y та a-Si,_xNx:H.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Чернівецький державний університет ілі. Ю. Федьковича, Чернівці, 1998.

У роботі приведені основні результати досліджень по проблемі перехідних областей в тонких некристалічних плівках різного складу. Показано, що в плівках з різним середнім координаційним числом (Z) товщина перехідної області "плівка-підкладка" має змінний характер. При плазмохімічному осадженні плівок a-Si!.xNx:H товщина перехідної області складала Інм. Головним фактором, впливаючим на величину та характер перехідної області при дискретному термічному напиленні є дисоціативний характер випаровування стекол. Встановлено, що для плівок на основі системи Ge-As-S, близьких по складу до GeS2, перехідна область "плівка-підкладка" збагачена германій складовими GexSUK)-x (x>33-s-50). По результатам досліджень структури та показників заломлення конденсату по товщині побудована модель структури плівки. Дані про профіль показника заломлення та його зміну при термовідпалі були використані при моделюванні впливу перехідної області на характеристики одно- та багатокомпо-нентних інтерференційних структур різного типу.

Ключові слова: некристалічні плівки, a-GeS2, координаційне число,

технологічні фактори, показник заломлення, оптична товщина, перехідна область, інтерференційні структури.

АНОТАЦИЯ

Герасимов В.В. Ближний порядок, концентрационн ый профиль элементов и спектральные характеристики пленок низко - и высококоординированых некристалических сплавов GcxASj.Sj_.,.j, и a-Si|.jN,:H.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Черновицкий государственный университет им. Ю. Федьковича, Черновцы, 1998.

В работе приведены основные результаты исследований по проблеме переходных слоев "пленка-подложка" в тонких некристалических пленках разного состава. Показано, что в пленках с разным средним координационным числом толщина переходного слоя носит изменчивый характер. При плазменнохимическом осаждении пленок a-Sii.xNx:H толщина переходных слоев составляет величину равную Ihm. Продемонстрировано, что основной фактор, влияющий на величину и структуру переходной области при дискретном термическом напылении -диссоциативный характер испарения стекол. Установлено, что для пленок на основе системы Ge-As-S, близких по составу к GeS2, в переходной области "пленка-подложка" преобладают германиевые компоненты GexSioo-x (х>33-ь50). По результатам исследований структуры и показателя преломления конденсата по

толщине построена модель структуры пленок. На основе данных профиля показателя преломления и его изменении при термоотжиге промоделировано влияние переходной области на характеристики одно- и многослойных интерференционных структур.

Ключевые слова: некристалические пленки, a-GeS2, координационное число, технологические факторы, показатель преломления, оптическая толщина, переходная область, интерференционные структуры.

ANOTATION

Gerasimov V.V. Concentration profile, local coordination of elements and spectral characteristics of low and high coordination non-crystalline films based on GcxAsyS|.x_v and a-Si|.,Nx:H.

Manuscript. - Master of Sciences Dissertation, speciality 01.04.07 - Solid state physics, Chernivtsy State University named after U. Fedkovich, Chernivtsi, 1998.

This thesis is devoted to the investigation of depth profile and local coordination of the films based on Ge-As-S and a-Si|.xNx:H. Based on these data a model of the layered-inhomogeneous structure of films is proposed. The peculiarity of the model is presence of a wide transition film-substrate region (up to 30 nm). Its composition differs from stoichometric GeS2 and shown in the form of GesoS») (x 33 50).

At film-vacuum technology for Ge-As-S system a "film-substrate" transition layer is rich in Ge in comparison with the central part of the film.

The influence of the layered-inhomogeneous structure of a highly refractive layer based on a-GeS2 upon spectral characteristics of two-component interference filters of vacuum deposition has been modelled.

Key words: depth profile, local coordination, thin film of Ge-As-S system, vacuum deposition, transition film-substrate region, interference filters.

Ужгородська міська друкарня м. Ужгород, вул. Руська Тир. 100. Заказ 449.