Исследование многослойных структур методом рентгеновских стоячих волн в условиях дифракции и полного внешнего отражения рентгеновских лучей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕ}М. ЛЕНИНА.ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.М.В.ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи БАШЕЛХАНОВ Игорь Викторович

УДК 548:732

ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР МЕТОДОМ РЕНТГЕНОВСКИХ СТОЯЧИХ ВОЛН В УСЛОВИЯХ ДИФРАКЦИИ И ПОЛНОГО ВНЕШНЕГО ОТРАЖЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ

Специальность 01.04.07 - Физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание.ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1991

,• : с-

•-■ С !

Работа выполнена яв кафедра физики твердого

университета имени М.В.Ломоносова

Научные руководители- доктор фтеихо-мотематических нау

профессор А.А.Кацнелъсон,

М.В.Ковальчук

Официальные оппонента - доктор технических наук Б.Г.Захаре

Ведущая организация- Московский институт стали и сплавов

Заадта состоится "7.S ___1992 г. в "-{¿.ч

на заседании Специализированного совета ОСТТ (К 053.0£ в МГУ км.М.В.Ломоносова по адресу : 119899, Москва,Ленинские гори,МГУ,физический факультет, аудитория С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физичос факультета МГУ

Автореферат разослан "2-4

физического факультета Московского государствен

доктор физкко-матвматмчоских наук

кандидат физико-математических нау С.Н.Мазуренко

• Учений секретарь специализированного совета Ш (К 05".05.194

доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ__ТЕМЫ. Развитый в последнее тридцатилетие

год рентгеновской стоячей волны (МСРВ), который оскоиаи на тистрации угловых зависимостей выхода различных вторичных эцессов (например-флюоресценции, фотоэлектронной эмиссии и .) в условиях дифракции рентгеновского излучения, приобрел «шое значение в исследовании структур полупроводниковых териалов- кремния, германия, соединений А3 В5 . диалектри -сккх материалов квантовой электроники- кристаллов гранатов.

Начиная с 1984 г. полутили развитие новые модификации ого метода, заключающиеся в регистрации угловых зависимостей хода флюоресценции при полном внешнем отражении ктгеноЕсхого излучения. Волновое поле, которое возникает в ом случае представляет собой стоячую волну с изменяющимся ' ртодом (гак называемую, длшнопериодную стоячую волну) среде с низкой электронной плотностью, а в -среде с высокой ¡отностыь экспоненциально затухающую (эванесцентнуп) волну.

Возбудденная эванесцентной волной флюоресценция бала яменена для структурных ксследоаедга» границ раздела жидкий ¡створ-воздух,приповерхностных слоев 1шуароводяиков.В 1988 г. ши впервые использованы измерения флюоресценции возбуаденной тиннопериодной стоячей волной.

В последние ' года интенсивно развивается рентгеновская

ггкка- в частности, благодаря появлению многослойных

гатетических микроструктур (МСМ), использующихся в качество

энтгеновских зеркал. Многослойные зеркала обладают рядом

ре имуще ств перед отражательными элементами оптики скользядего

-I-

падения и начали применяться для визуализации космической плазмы и плазмы искусственного происхождения.

Перспективны многослойные зеркала и для использования 1 рентгеновских лазерах, рентгеновской литографии, рентгенофлю ресцентном 81. \лизе.

Кроме применения в рентгеновских телескопах, МСМ наход приложение в создавеишх несколько последних лет рентгеновск микроскопах, позволяющее исследовать с высоким разрешени живые биологические объекты. Селективность поглоще: рентгеновского излучения позволяет установить распределен химических элементов внутри клеток.

Интересш.' МСМ и с точки зрения физики твердого тел поскольку они представляют наборы чередующихся свврхтонк пленок обладающих аномальными физическими свойством свойствам! отлична,с: от таковых асе в объеме (напримо электропроводность к т.д.).

Для получения внсокосовершеятос МСМ требуется развита методов исследования их структуры. До настоящего време практически отсутствуют ■ работы по определению конкретн структурных и ишх параметров многослойных синтатическ микроструктур с помощью возбуздения рентгеновских волнов полей. Поэтому постановка указанно:! задачи являет актуальной.

Развивапаяся -¡а базе многослойных структур Лэнгмюр -Блодкегг молекулярная электроника достигло определен)! успехов. Совершенствование . молекулярной технологии так требует информации о структуре синтезируемых объектов. Большую роль в получении этой информации могут сыграть исследования с помощью возбуздания рентгеновских волновых

полей, поскольку длиннопериодаыэ стоячие водны, генерируемые при полном внешнем отражении,и стоячие волны,генерируемые при дифракции рентгеновского излучения на многослойных синтетических микроструктурах могут служить измерительными инструментами молекулярного масштаба.

ШЬ_РАБОТЫ - разработка методик использующих стоячие рентгеновские волны, возбуждаемые при дифракционном и полйом внешнем отражении рентгеновского излучения для нахождения структурных и других параметров многослойных синтетических и молекулярных систем.

1. Предложен новый метод определения толщин и плотностей сверхтонких твердотельных пленок с помощью возбуждения рентгеновских волновых полей в условиях дифракции и полного внешнего отражения на многослойной синтетической микроструктуре.

2. С помощью регистрации флюоресценции' тяжелых атомов впервые показано образование волнового шля при полном внешнем отражении рентгеновского излучения от многослойных структур Лэнгмюра- Блодаетт.

3. Впервые изучено распределение ионов металла в многокомпонентной молекулярной структуре с помощью флюоресцентных измерений при полном внешнем отражении рентгеновского излучения.

4. Для нахождения параметров сверхгонкой периодической молекулярной структуры Лэнгмюра-Блоджетт впервые использована стоячая волна генерированная многослойным рентгеновским зеркалом в дифракционных условиях.

пРАКТ1тетя..1Щ1ость_РАБдту

1. Развитый мотод определения толщин .и плотностей сверхтонких пленок представляет интерес для отработки способов синтеза пленок и многослойных рентгеновских зеркал.

2. Предлог"1 нше методики исследования пленок Лэнгмпра--Блодаэтт с помощью возбувдения рентгеновских волновых, полей могут быть полезны для совершенствования технологии элементов молекулярной электроники.

СТРТОТ№О_0БТ^_©ССтАЩИ. Диссертация состоит во 4 глав, введения и выводов. Объем диссертации 137 страниц „ включая 30 рисунков и список литературы из 95 наименований.

ПУБЛИКАЦШ. По теме диссертации опубликовано 2 печатные рабогн.

АПРОБМЩЯ_РАБОТЫ. Основные результаты докладывались на конференциях:

1. 3-е Всесоюзное совещание по Ыежвузовской комплексной программе "Рентген".- Ереван, IS89

2. 4- International conference oil eynchrotron radiation Instrumentation.-Cheater,Great Britain,July 15-19,1991

3. 2- International conference on surface X-гьу and neutron scattering.-Bad Honner.Germany,June 25-28,1991,

а такта .на научных семинарах Института кристаллограф л Ail СССР

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность теми, формулируются- цели и задачи исследования.

В первдй_главэ сделан обзор работ имевших важное значение в развитии структурных исследований с помощью возбуждения волновых полей- стоячей рентгеновской волны при дифракции, длиннопериодной и эванесцентной волн при полном внешнем отражении рентгеновского излучения.

Традиционный метод рентгеновской стоячей волны, возбуж -даемой в условиях дифракции, напел достаточно широкое применение для исследования структуры приповерхностных сло*в монокристаллов.

В последние несколько лет были начаты исследования с помощью регистрации угловых зависимостей выхода флюоресценции возбужденной эванесцентной волной при полном внешнем отражении рентгеновских лучей. Три года назад появилась порввя публикация работы в которой была использована длиннопериоднал стоячая волна,генерируемая в тех го условиях. Период ее сильно зависит от угла скольжения падащего рентгеновского пучка:

Х> гг А (241П в

где Л - длина волны излучения, -угол скольконил пучка Эти метода были использованы для изучения распределения ионов металлов в растворах у границ раздела различных сред и непериодических молекулярных структур Лэнгмгра-Влодатт.

Описываются основные свойства многослойных синтетических структур и их дефекты. Дан оОзор работ по рентгеновскому рефдектометрическому определению толщин и плотностей тонких пленок.

Представлена работы по структурным исследованиям молекулярных систем Лэнгмюра- Блодаетт с помощью рентгеновских стоячих волн в условиях дифракции и полного внешнего отражения.

Приведены формулы для расчета кривых рентгеновской отражения и угловых зависимостей выхода флюоресценции от многослойных структур. Описываются реккурентные соотношения, через которые определяются поля в многослойных структурах и над их поверхностью:

/? Р + 1 р = ' ,

>-<и А-,-*/.

I = я:

где ).л -номера слоев ;

я -талзрша слоя

-Е

, -волновой вектор; м„ -комплексный показате/оь продомдэшк слоя И ; -угол скольжения; £„, £й -аышмтуда электрически векторов пет. дея и <>тракенной волн; -ш,5ф5ицгз!П

Сренеля.

Исходя из этих соотношений определяйся коэффициент отражения многослойной систенш:

л» /а

-6-

Через использование атжх же виража кий определятся интенсивности полей и интенсивности выхода флюоресценции.

Во второй_главе приведеш результаты рентгеновских рефлектоиетрических и флюоресцентных исследований многослойных зеркал для демонстрации возможности их применения как генераторов стоячих волн, а такте результаты юс использования в качестве последних для изучения сверхтонкой периодической структуры Лэнгмгра-Блодже тг.

В п. 2.1 описана экспериментальная установке и методика, измерений.

В п. 2.2 приведены кривые отражения МСМ в области полного внешнего отражения и нервах нескольких порядков дифракции (излучение Е=8,04 кэВ). Рассмотрено влияние рефракции на положение орэгговекпх пиков. Приведены экспериментальные и расчотше зависимо ста пиковых коэффициентов отражения от числа периодов структур" многослойных зеркал, и указанных величин от дола сильнопоглощашего материала в периоде МСМ. Представлены экспериментальные и расчетные зависимости полуширин пиков отражения от доля силыюгоглощавдего материала в периоде.

Исходя из результатов рефлоктоыотрических измерения пре&глгается методика определения отнования тслздпш слоя ашнопоглощащэго ыагеряэла "к периоду МСМ (доли

I •

спльнопогло5овдего материала а сгргэде- оС ) .В идеальном случав квадрат критического угла полного внешнего отражения-рентгеновского излучения для многослойного зеркала ( ) определяется линейной зависимость» от доли сС : ■()*= + сА

Также линейной зависимостью от указанного параметра определяется и плотность МСМ Нрис.1).

В случае отклонения экспериментальной кривой от линейной зависимости можно сделать вывода о дефектах в многослойной структуре.

Данные, представленные в п. 2.3, получены о целью демонстрации возможности нахождения структурных параметров сверхтонкой периодической систем* Лэнгуюра-Блоджотт о помоцью использования стоячей волны возбужденной многослойным зеркалом. В втом вксперименте для определения реально! структура Л-Б пленки с помоцьп регистрации выхода флюоресценции атомов свинца , содержащихся в ной, впервые было использовано согласование периода сворхреветки генератор] стоячей волны с расчетный периодом изучавшейся молекулярной системы. Исследовавшийся образец представлял совой Л-Б пленку бегената свинца с расчетным периодом БЭ 1 состоявшую из II монослоев, напасенную на Ш! .изготовленную импульсный

лазерный напылением не подложке из крошил ( с/ -59 Л, ^¡,-10 2, £ =20>.

Сравнение экспериментальных и расчотшс:, с учетом дефектов кривых показывает г что взгдолзе Олгзяуп к Експэраетпту фориу имеют кривые вычисленны» для угла наклона • углеводородных цепочек молекул бегената свища -20* от нормали.

В третье*! главе описываются исследования по опрэделзагзз толщин и шютвостеВ сверхтонких плево», нанесенных на поверхность ИСК, впервые проведенных с поугзъ» использования угловых зависимостей выхода флсоресцепцяп пра зеркальном (ПВО) и дифракционном отражанив, Целью работы являлась демонстрация

-е-

РлсД Зависимости квадрата критического угла /-0*/ и плотности // / г'.и.".I !&/<; от дачи сильнопоглоща-юцого матершла в периоде / Л ~ /: прямая линия - расчетная, точки - эксперимент

новой возможности определения пвршегроа сверхтонких плевок о помощью возбуждения стоячих волн.

Исследовалась пленка железа осажденная на МСЦ (с/ «59 А ^ =10 1,1- =20). МСМ в свою очередь была нанесена на подложку из кремния. Вся структура била синтезирована методом импульсного лазерного напыления. Верхний слов в структуре был углеродным. Два участка поверхности этого образца покрывались пленками железа одинаковой толщины, но на один из них наносился дополнительный углеродный слой, а другой оставался чистим. На третий участок площади 1Ю11 осаждался слов келеза другой толщины и был затем покрыт углеродной пленкой.

Эксперимент проводился на деухкристалькоы спектрометре о использованием излучения Е=8,04 кэВ (СиК,), монохроматор В1 ГШ). Размэр пучка составлял 0,05 « 3 мм? Флюоресценция регистрировалась полупроводниковым Л (II )-детектором.

На рис. 2 а,б представлены кривые выхода флюоресценция /¿/^ от образцов ИЬ/^'Ре, Вычисления показывают, что толщине непокрытой углеродом пленки железа существенно больше толщина слоя покрытой пленкой (! 36 и 19 X, соответственно. Эт является следствием взаимодействия железа с атмосферой, которс приводит к окислению и расширении аленкк.

Результаты измерений с помощь» возбуждения волнового ю» при ПВО представлена на рас.Э для чистой непокрытое углеродом плонки железа, КаОлвдается авметное изменение < плотности, связанное о деградацией гаенха железе в атмосфере. Вычисления показивыот, что плотность такой опенки составляв; лишь 45 % от объемной плотности железа (у,). Штриховая ' лилия- расчетные результаты для случая равенства плотное

а/ точкд-экслерлмэнтальныв результаты для образца -'51 • расчетные /сялоанив/ у.ривие соответствует тоят.шс щенки /в -36 А б/ точга!-эксаб.(ы:.шталышз результаты для оС.разча .:>2,расчет-ныз /1,2,3/ соответствуют тсхгишал лленэх F* -И Ъ,А,25

0.0 8 0 -0,иро&

:'.1с .3 Уксыр уштошшо /••••/ а расчот.чыо /-У кривые

о'гр.'л'оллл /»нлуу/ п »¡к иди ■¡•л.ооч.зсц.нщла АА^/вьирху/ в (>5.1 лот л И Ж) для оГ)раз!',а с ылоилол ¡.-.«сниа тол.ц.шои ^6±3 <{. лр.тая £ сэогиотствуо^ илоглосг;! мои .и • О/с^Иси-мая 2 -

(О 20 30 А

р.ю .4 о;'л,юл,;ое'гь отиом'-.М .штенс шискг.'Н 'Тмиореоцонцяи ^ к вдс/гнлоти плеккх о'гтолцдгш плоил: усЛууа,

пленки объемной плотности (р = ). Отметим, что вычислешшо кривые отражения для двух укапанных случоов очонь мало отличатся, что указывает на высокую эффективность флюоресцентного метод».

Для пленки толщиной 19 X защищенной пленкой углерода наилучшее согласие расчета и эксперименте соответствует плотности этой пленки 85 х .

Достоверность определения толщин и.плотностей сверхтонких пленок с помощью возбуждения стоячих волк проворена измерениям« интенсивности флюоресценции ^е вне областей дифракции и полного впеппого отрожения (фдгоресцоитный метод относительных масс). Этот мотод основан на том, что при малых голзртах пленок интенсивность флюоресценции пропорционально кассе засвечиваемого рентгеновским пучком участка плагисл ( I )• Результаты таких таморений приводош на рис. 4,

где во оси абцисс отложены толщины пленок t получотшо предлагаемым о данной работе методом, а по оси ординат-приведенные интенсивности флюоресценции (относительная величина • Где £ -плотность определенная описанным

ило методом, -табличная плотность маториала пленки). 3 случао прввяямюго опредолоння параметров с помощьп использован®» еатода стоячих волн точки должны лежать па прямой, что в проделах овивки п ноблюдаотся.

посшщопа исследованиям систом Яотгтра-. -Блоджстт № елоду флюоресценции в области полного яштаого отражения,

В этоЯ работ проведено изучоиио распределения тйа&яых ато мов в слглШЯ >колокулярншс системах с помощью рентгеновского

• ■ • . "4"

-13-

волнового поля возникающего при полном внешнем отражении.

Исследовалась в условиях ПВО Л-Б система осажденная на зеркальное поверхности кристалла (п.4.1). Образец был приготовлен следукцим образом. Л-Б пленка стеариновой кислоты (8 монослоев} нанесенная на поверхность кремния дважды проходила через монослой стеерата свинца - для получешм бислоя. При в том имелась вероятность того, что ноны свинце проникнут в объем пленки стеариновой кислоты. Задачей работы било нахождение получащегося при атом распределения ионов свинца в объема Л-Б плевки путем регистрации выхода флюоресценции в условиях ПВО.

Отметим, что толщина Л-Б системы Сила выбрана таким образом, чтобы нэ ней укладывалось две пучности длинного риод-ной стоячей волны генерированной приповерхностным слоем кремния при критическом угле ( В -210 1). В этом случае две пучности стоячей волны цройдут через границу раздела Л-В пленка - воздух, когда угол будет умеаэдетьсл от критического угла для кремния. Если ионы Р$ находятся только в верхнем бислое, то должны быть видны два максимума на угловой зависимости выхода флюоресценции рис.6 (кривая I). Больоее число слоев стеариновой кислоты содержащих вони праведот к большей трансформации кривых выхода флюоресценция (кривые 2-5), которые соответствуют заполнению ионами свинца двух (кривая 2), грех а (слоев (кривая 3) Л-Б структуры и т.д. Точки ка рис.Б показывают окспериментальше результаты для выхода флюоресценции полученные на нзлучевхи 13,& кэВ в как видно, имеется хорошее согласие с расчетной кривой Б, которая соответствует ситуации, когда юны находятся во всех 5 бгслоях

-14-

!гз шлекулнриоЛ. структуры Лэ^тура-илод-кегт: точна -эш1ор;г;.;влг, охчожи» ку.шю 1,2,.'¡,1,5 - расчог для снстс.м в которих пони св.шца находятся в одном,двух, трех,четырех и пяти бмслощ, соответственно

Рли.6 Угловое зависимости выхода флюоресценции /^/'а/ А/^/б/ в области полного внешнего отражения от с тру] тури Лэ'.;г-мюра-Б.аод>".о'.":: точки- эксперимент, сплошные Л1 ниц- расчет

Л-Б структуры.

В работе изложенной в п. 4.2 впорвио с помощью регистрации угловых зависимостей выхода флюоресценции от тяжелых атомов наблюдалось образование волнового поля при полном внешнем отражении от пленки' Лэнгмюра-Блоджетт. .

Образец представлял собой Л-Б плепку, достаточно толстую для наблюдения ПВО от нее, состоявшую из 100 мономолекулярашх слоев стеврата' свинца и двух монослоев богената бария. Л-В структура была осавденв на подложку из кремния.

Экспериментальные кривые и соответствующие расчетные для данной структуры приведены на рис.6 .Регистрация кривых производилась на излучении 6,4 кэВ.

На кривой выхода флюоресценции Ва L^ виден хорош выраженный максимум. Его образование связано о формированием Л-Б пленкой длинноперлодной стоячей волны и движением ео первой пучности. Относительная величина этого максимума определяется глубиной выхода флюоресценции- чем меньше глубина • выхода флюоресценции те« она больше. Это условие ышолшотсл для флюоресценции атосоп бария, поскольку они находятоя только □ верхних двух ыонослоях. Для флюоресцещии от атомов свкнцп ото условна из пнпагаяотся и максимум св.пешшй о образованием стоячей волны вдрагор существенно слабое.

•-I7-

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДИ

1. Предложен новый метод определения толщин и плотностей сверхтонких пленок при помощи регистрации флюоресценции возбужденной стоячими волнами в условиях дифракционного и полного внешнего отражения рентгеновского излучения от многослойного зеркала (многослойной синтетической микроструктуры), в котором из внализа угловых зависимостей выхода флюоресценции при дифракционном отражении возможно получение информации о толщина пленки, а из анализа флюоресцентной кривой при полной внешнем отражении- информации о плотности пленки.

Диапозон измеряемых толщин определяется периодом многослойной синтетической микроструктуры- от деояти до сотен ангстрем.

Достоверность определения толщин и плотностей пленок проверена с помощь» флюоресцентного метода относительных касс.

2. С помощью предложенного метода проведены измерения толщин сверхтонких пленок железа. Продемонстрирована эффективность защиты этих пленок от атмосферного влияния слоями угле -рода. Показано уменьшение плотности незащищенной пленки железа и увеличение ее толщины. Показано преимущество метода для контроля параметров многослойных рентгеновских зеркал.

3. С помощью регистрации флюоресценции тяжелых атомов впервые показано образование волнового поля при полном внешнем отражении рентгеновского излучения,' от молекулярной пленки Лэнготрп-Блоджетт.

4. Впервые для изучения распределения тякелых атомов не

■границе раздела в сложной молекулярной структуре Лэнгмюра-

■'11'

-Блоджетт использовались флюоресцентные исследования в области полного внесшего отражения. Установлено, что в процессе осаждения на структуру стеариновой кислоты доух монослоев стеарата свинца ионы металла проникают в указанную пленку о равномерным ее заполненном.

5. Экспоримонтолыю продемонстрировано влитию но отражательные свойства многослойных зеркал ого основных параметров: числа периодов структуры, дол*, салыюпоглощающого материала п периоде и найдено соответствие экспериментальных и расчетных дашшх. Наглядно показано с помощью регистрации угловой зависимости выхода флюоресценции существование ронтге.ювской стоячей волш в многослойной синте тической микроструктуре.

6. Продложеьа методика определения доли сильнопоглощводого материала в периоде многослойного зеркало. Отклонение экспериментальной зависимости квадрат критического угла- доля сильно-поглощаккего материала в периоде от липойпой позволяет предположить существование дефектов в У/СМ.

7. Стоячая рентгеновская вол ¡о сформировавшая в многослойном рентгеновском зеркало впервые била использована для структурных исследования сверхтонкой периодической пленки Лэнгмюра--Блодкетт. что позволило избежать трудностей связагашх с молой рассеивающей способностью объекта исследования. Показано возможность оценки угла наклона угловодородных цопочок молекул Л- Б пленки. Показано преимущество применения МСМ в качестве генераторов стоячих волн заключающееся в том, что они могут быть изготовлены с периодами, соответствующими периодам исследуемых объектов для получения структурной информации.

РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Башелханов И.В., Хелудева С.И., Новикова H.H., Харитонов И.Ю.. Фейгин Л:А., Ерохга В.Е. Стоячие рентгеновские волны и полное внешнее отражение в молекулярных слоях Лэнгмюра-Блоджетт и гетероструктурах на их основе.- Тезисы докладов 3-его совещания по Всесоюзной межвузовской к&Й&лексной программе "Рентген", Ереван. 1989, с.200.

2. Хелудева С.И.. Ковальчук М.В., Лапомарзино С., Новикова H.H., Башелханов И.В., Ерохин В.Е., Фейгин Л.А. Наблюдение эванесцентной и стоячей рентгеновских волг в области полного внешнего отражения от молекулярных слоев Лангмюря-Елодаютт.-Письма в ЮТФ. 1990, т.62, вып. 3, о. 804-808.