Катодолюминесцентные свойства алмазных пленок и родственных материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

государственный коштет рф го народюму ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Ы. Е ЛЗЮНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

Ахмедов Баходыр Акцальевич

УДК 621.385.833

ШОДОЛШИНЕСЦЕЯГНЫЕ СВОЙСТВА АЛМАЗНЫХ Ш1ЕШК И РОДСТВЕННЫХ шдашвд

Специальность 01.04.04 - физическая электрокика.

А в тореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1993 г.

Работа выполнена на кафедре физической алектсонию физического факультета Шсковского государственного университета им?ни 11 & Лэмодасова.

Научный рукрводитель г кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Сапарин Г.Е

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

Филиппов М.Е - кандидат физико-математических наук, доцент Чукичев VIЕ Ведущя организация - Институт кристаллографии РАН

Защита диссертации состоится м<*р Т& ^94 года -в часов на заседании специализированного совета К. (353.0522 ] Московском государственном университете им. 11Е Ломоносова п< адресу: 117899, Москва, Воробьевы Горы,. МГУ, физически факультет, ауд. §" -

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическог< факультета МГУ. ~

Автореферат разослан, "16 " срк-1994 года.

Ученый секретарь Специализированного совета К. 053.0522 в МГУ им. 11Е Ломоносова, кандидат физ.-мат. наук / * С. Ю. Галузо.

о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА • РАБОТЫ

Актуальность темы. _ В настоящее время огромный интерес в науке и промышенности проявляется к алмазным пленкам и карбидообразующим материалам, в частности к карбид/ кремния. Это связано с тем, что они обладают рядом замечательных свойств, таких как твердость, оптическая прозрачность, теплопроводность, высокая подвижность носителей и т.д. В перспектив«, эти свойства обепрют создание высокотемпературных приборов, оптических и электронных компонентов для опто- и микроэлектроники, азшдтных покрытий и тл. Поэтому исследование свойств тонких алмазных пленок представляет актуальную задачу, которая может успешно решаться только за' счет комплексной диагностики. Этим оправдано использование методов вторичной электронной микроскопии (исследование морфологии и дефектности), комбинационного рассеяния света (рамаяовская спектроскопия), катодолюминесцектшй спектроскопии и микроскопии (анализ оптических свойств) и др. Поскольку возбуздение электронным пучком твердого тела дает существенно большую скорость генерации носителей по сравнению с оптическим возбуждением, катодолюминесцентный . анализ

предпочтителен в исследовакш' излучательных свойств алмазов и алмазных пленок. В зависимости от условий осадденш, пленки представляют собой голккристалличеекие структуры и содеркат различные неоднородно распределенные примеси и дефекты. Поэтому важное значение. приобретает микродиагностика этих неоднородностей. Шлшо выделить две важнейших задачи, когорт должна решать такая микродиагностика. Во-первых, это задача то идентификации различных дефектов и оценки их влияния .на микроструктуру и "электронные свойствз алмазной пленки. Во-вторых, желательно понять и контролировать образование этих дефектов на пленках с целью успешного использования алмазных материалов. Таком образом, комплекс исследований, включающий различные методы микродиагностики алмазных пленок, представляет собой интересную -и актуальную задачу в области изучения алмазных пленок.

К настоящему времени существует .множество публикаций,

посещенных проблема* выращивания и диагностик» алмазных пленок Для их синтеза используются различные метода и они осаждаются № разные подложи. Соответственно, и { начальные1 условия при из получении . варьируются от I эксперимента ; к авсперишнту. 1 Такта образом, наоыотря на огромное количестворезультатов пс исследованию алмааньх пленок,. накопленных к яастоящецу. моменту они . не шест достаточной систематизации. В данной работе бьш синтезированы алмазные пленки при одинаковых начальных условш доя различного типа подложек, на которые осаждалась пленка. Такт образом, была реализована попытка выяснить роль /материал« подложки в процессе роста пленки на ее физические свойства.. Эгс дало возможность из нескольких опытных материалов, использованньп в качестве подложек, выбрать материал/на котором растет алмазна; пленка наиболее близкая по своим физическим свойствам к свойства* природного алмаза. * Здесь имеется в виду совершенствс кристаллической структуры и наличие сторонних примесей. I результате, был предложен критерий,, по которому, можно оценивать качества алмазной пленки, как степень ее дефектности, а' также " наличие ' неалмазной' компоненты (т.е. присутствие углерода с ЭРг-тибридизацией).

Весьма актуальными также являются ." и исследования, проведенные с эпитаксиальными слоями политипов карбида кремния Как известно, 5Ш является широко используемым- I полупроводниковой микроэлектронике материалом. Шзтому решение любых проблем, связанных с диагностикой политипных слоев. карбида кремния, приобретает очэнь актуальное значение. Получение максимально полной информации .о свойствах исследуемых эпитаксиальных - слоев 5Ю может позволить найти оптимальные технологические условия для улучшения их качества. С этой точки зрения, применение цветной, катодолшинесцентной микроскопии для изучения эффекта трансформации политипов карбида кремния выращенных на профилированных поверхностях может стать одной иг многообеярщих и наиболее информативных методик в исследованиях подобного рода.

5 - - • ,

Целью диссертационной работы являлось:

1. Изучение корреляции между физическими свойствами алкзззк хленок и типом подложек, на которые эти пленки осаждались.

2. Проведение сравнительного анализа катодолхшнесцеипш: . и щрфалогичеких свойств алмазных пленок, выращенных на различных лодаожках,. .. по отношении к: аналогичным сеойстезы природного алмаза. • ,

а Нахождение возможного: критерия . для оценки качества получаемых пленок и материала, на котором образуется алмазная пленка наиболее приближенная по своим свойствам к природаому алмазу.

> 4 Исследование методом растровой цветной катодолюмдаес-центной микроскопии аффекта трансформации политипных слоев карбида кремния на профилированных подложках. ■

■ Задачи диссертационной работы эзнашадись в слёдужеи;'

1. Изучить свойства алмазных пленок, выращэнных на подло;гках; при идентичных начальных условиях.

• . 2. Провести сравнительный анализ амьшхых пленок, вщт&шш на различных подложках..-. .■ • '

а Установить зависимость между качеством получаемых алмазных пленок и материалом подложек, на которых они были осаждены.

• 4 Исследовать особенности роста апитаксиальньпс елоэв политшов карбида кремния на гладаих и профилированных поверхностях методом .катодолшинесцентиой микроскопии.

Научная новиана работы.

1. Проведены эксперименты по обнаружению влияния материала подложки на морфологическую структуру и другие физически© свойства алмазных' пленок, синтезированных _ при идентичных ■начальных условиях. Установлено, что на различных поддонках .• (Ш, Си, 31, №) формируются' алмазные. пленки с разными катодолшинесцентшш и шрфолоптесюши свойствам.

2. Сделана попытка найти критерий, да которому ш:з:о оценивать качество полученной шюнки относительно качества природного алмаза. Сравнительный комплексный анализ выращенных

- 6 - t

алмазных пленок показал, что пленка наиболее близкая по _ свс физическим параметрам к природному : алмазу. образуется молибденовой подложке. ! • '

3. С помощью методики цветной КЛ-ыикроскошм было . проведе исследование' эпитаксиальных слоев политипов карбида кремнз выращенных на гладких и профилированных . поверхностях. . Е обнаружен эффект трансфорыаци (одинарной и двойной) политик; слоев карбида кремния в процессе., их роста на профилирована подложках.; При этом было установлено/ что при росте слоев SiC шдошках ' с отдельными выступающими участками поверхнося плоавдь которых лежит в пределах от 0.2 до 05 ым2 вероятное трансформации политопа значительно вьше, чем на гладк поверхностях. ■ .

4. Методическая новизна. работы заключается в использован комплексной диагностики, вкличаюшрй цветную растров микроскопию, для изучения . алмазных пленок . и политипных ело карбида кремния. Применение РЭМ в. исследованиях подобного ро, позволяет Шлучать информации о пространственном распределен црнтров 'люминесценции в" алмазных пленках и родственных материал

! (в частности, SiC).

Практическая щнность выполненных ясследовзнпй. Обнаружен различных'' люшшесцентных свойств алмазных пленок, Еыращенных i подложках различного типа при одинаковых, условиях. Выявл эффект двойной трансформации политипов карбида кремния во Bpei технологического процесса создания светодиодов на основе Si Показано применение метода растровой электронной микроскопии цветным отображением спектральной информации для экспресс-анали; качества , алмазных, пленок и эпитаксиашшх слоев различи полиглотов SiC. Предложен, комплексный критерий для определен] качества осаедаемых ва различные подложи алмазных пленок i отношении к качзству природногом ашаза. : ;

Основные научныв юможания, выносимые на защиту.

1. Найдено,. что на подложах из таких материалов, как Ы Si, Си, Mb' при идентичных начальных условиях роста формируют алмазные пленки, имеющие различную кристаллографическую етрукту]

- 7 - ,

я ; - отлшчагаргося • лшикесцентиыш ■ ' свойствами. ' . Обнаружена определенная корреляция мёйду морфологическими ;, особенностями и двмшесценцией пленок.. ' • • , ' '■'; \ '• .•' •„

2. Предложи кошлексный' критерий , для оценки • качества алмазных пленок по отношению к качеству природного. алмаза. Пленка по своему качеству, наиболее близкая к природному алмазу была;;* получена на подложке из молибдена. . . .'• ''" " ■'■ .

3. Установлено, что . псшштпыэ'■ .превращения при росте ..; эгпттшыш- слоев ЗШ на профилированных гадложах 'зависят от ориентации подложки, ее "структурного . совершенства и от геометрических размеров выступа. При росте сткаксиальных слоев : карбида кремния на профилированных подложках с, отдельными -выступающими участками поверхности с 'площадью 0.2 - 0.5 ш2 вероятность трансформации политипа значительно выше,1 чем на' гладких поверхностях. Обнаружена ' двухэтапная трансформация политипа. . , .. ■

4 Экспериментально показано, что для диагностики ¡* зкспресс-анализа слоев карбида кремния и алмазных пленок шю ,с . успехом использовать _ метод цветной катодолюминэсценции '■ в ; растровом электронном микроскопе.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы ■■ были-' доложены на Третьей Европейской конференции по алмазам и ; алмазоподобным материалам 'ТНалспсЗ-Э2" (31.Ш ; ~ 409.1992, Гейдэльберг, Германия) и на конференции "РЭ1Ь93" (24 - 26 шя, ; г.Черноголовка). ,. • .

Публикация. По результатам работы опубликованы тезисы докладов (2) и статья. ' • !; .

Огруотура работы и ее объем Диссертация состоит из введения, четырех глав,. вакключэния и библиографического списка из 140 наимешований, Основная часть работы изложена на . |4Э'; странщах, вгаючая ^.иллюстраций.

Во введении отмечена актуальность работы, ее основные •. задачи, научная новизна диссертационной работы, ее значимость и " краткое содержание. .. . ' ';-

Первая глава ' представляет собой краткий обзор литературы,

псевжаэнной различным методикам получения алмазных пленок, также их морфлогическим, катодолюшшесцентным и' другим физическа свойствам. Приводится классификация способов синтеза алмазнь пленок, наиболее часто упортебляемых в- ;настоящее врем Анализируится результаты исследований, проведенных с помощ растровой электронной микроскопии в режиме вторичной эмиссии методом ■ катодолшинесцентной спектроскопш. Кроме топ рассматриваются результаты изучения алмазных пленок, полученнъ благодаря . использованию методики . комбинационного рассеяня (рамановская спектроскопия). Обсуждается выявленная . различным авторами корелляция между начальны!,®' условиями, при которы осаадае'тся пленка, и ее физическими свойствами.

, Почти все экспериментаторы используют для синтеза алмазны пленок концентрацию метана, изменяющуюся в интервале от 02£ ■ д 8*. При этом большинство исследований по, алмазным пленка • отмечзет следующие важные, на наш взгляд, факторы.

1. Исследования алмазных пленок показывают, что - к морфологические, катодолюминесцентные и другие . физически!

. свойства находятся, в, прямой зависимости от условий, при которы ведется их синтез. Так, почти все работы констатирует, чп . морфология - микрокристаллы выращенных алмазных пленок существен» меняется при возрастании концентрации СН4 и, при этом наблюдаете; перестройка кристаллографической структуры от кубической дг октаэдрической (0.537<1?{100}/И111 К1.7). Шрфология I

непрерывность пленки анализируется .с помощью растровогс электронного микроскопа.

2. Для определения существования в составе пленки алмазно» фазы • практически во всех исследованиях применяется мето; рамановской спектроскопии (пик в КР-спектре с положением максимума при 1332 см-1).

3. Дефектность пленок - - также существенно зависит от условия их осаждения (концентрации СН4, температуры подложи и т.д.) I: анализируется с помощью КЛ-спектроз и микроскопии.

.2 ряда работ используется выражение "высокое качество алмазной пленки", -однако нигде не формулируется критерий этогс

- 9 - .

шштия.'Пздзвлящеэ болызивство работ косит . поисковый характер в , плане создания новых технологий получения алмазных пленок,' 1 связи ; с этим весьма ■; малочисленны эксперименты по оптимизации условий осаждения и выбора материала : подложи. В нашй .работе делается попытка проследить, как. влияет материал подложи на, шрфсшзгические и ¡сатодолюшнэеценигые свойства алмазных пленок при одинаковых условиях их получения. Кроме того, было проведено, 'исследование го проверке зависимости •. КЛ-свойств пленки, осажденной на подложке из одного и того же материала (на Мэ) от изменения кощентрации метана, который использовался как рабочиий газ. ' _

• Во второй главе дается краткое описание, различных методов,' которые использовались з 'наших"экспериментах для диагностики.'!! аналига физических особенностей алмазных пленок. Приведена также схема установки для получения этих пленок. Для исследования алнагкых пленок в нашей работе использовались следующие методики:' •катодолкмжесцентная , спектроскопия, рамановская спектроскопия, растровая микроскопия в режимах вторичной электронной эмиссии и -в режиме цветной катодолюминесценцни. 1&тод КЛ-спектроскопии дает возможность оценивать катодсшоминесцентныэ спектры «алшзных пленок и сравнивать их со спектрами природного алмаза, что позволяет судить о степени приближенности КЛ-свойств пленки к аналогичным свойствам природного алмаза. Рамановская спектроскопия дает информацию о химических связях, присутствулзщн в пленке. Как известно, графит и алмаз различаются формой гибридизации своих химических . связей (графит имеет 5Р2-гибридизаци», а природный алмаз - ЗРЗ-гибридизацио). Штод .комбинационного рассеяния позволяет обнаруживать это различие и, таким образом, идентифицировать кристаллическую ...форму образующего пленку углерода. Метод растровой микроскопии в режиме вторичной электронной эмиссш выявляет морфологические особенности растуярй пленки, а таю» пространственную геометрию образующих ее кристаллитов и их ориентации. В общем случае, этот - штод позволяет проследить ва динамикой роста пленки.

■. В нашей лаборатории был разработан метод ,ЦКЛ (цветной

катодолшинесценции), позволяющий, оценивать пространственное распределение центров люминесценции по поверхности исследуеиого материала. . Излученные алмазные пленки изучались > с поыощьа растрового электронного : микроскопа '-,, марки. "ЗЬэгеозсап",' работающего в режиме ЦКЛ. Преимущество : метода -цветной; католш>1К9сцбнции заключается в том, что он, представляя , собой. высокочувтЕительную технологи» по качественному и количественному анализу центров люмшесценции. в исследуемом объекте, позволяет наблюдать ; их распределение .по поверхности образца, а также интесивность ■ их излучения. Как известно, цвет имеет два независимых свойства: яркость и хроматичность. В черно-белом изображении все его элементы имеют одинаковую хроматичность и наблюдатель • может. их различить только по яркостдаму контрасту. В цветном эш изображении. элементы одинаковой яркости, неразличимые при черно-белом режима, можно дифференцировать _ благодаря огромному богатству цветовой гаммы, вааникащэй в результате работы с цветом. В общем случае, элементы цветового изображения могут различаться как по яркости, так и по цветности. Поскольку глаз человека может различать на два порядка больше цветных оттенков, чем черно-белых, то, естественно, что режим цветного, представления изображения исследуемого объекта повышает информативность этого изображения во много раз.

Для 'представления цветных образов в растровой электронной микроскопии используются два принципа формирования изображения.-Первый принцип состоит в том, что изображения формируется в реальных цветах в катодолшинесцентном (КЛ) режиме. В этом случае цвет элемента изображения определяется, спектром "излучения, возбуждаемого в соотвэтстадтоирй точке объекта электронным пучком. Второй принцип . заключается ' в том, . что происходит цветокодирование, когда видеосигнал • в цвете ставится в соответствие видеосигналу (по амплитуде, частоте или фазе) производимому в любом режиме РЭМ.

Реким цветной катодолюминесценции обеспечивает изображение объекта в реальных ЦЕетах при высоком пространственном разрешении. Отличие информации, полученной в РЭМ от информации,

которую дают оптический ' или фотолюш-гоесцентный микроскоп заключается в . следующих факторах., а. В специфичности тех физических явлений, шгорыэ возникают-', при взаимодействии;' электронного щдлса высокой плотности (с. энергией в несколько десятков кЭв) с • тверда телом и , приводят .' тем • самым, к ватодолюминесценции. б. В том факте,' что время экспозиции, требуемое для получения цветных изображений в фотолюминесценции, и" в опт11ческсш микроскопе повышается пропорционально, И*М, где М -увеличение. Это проблема отсутствует, в РЭМ, поскольку изображение формируется поточечно и интенсивность' излучения -света кавдой точкой объекта не зависит от размеров растра (который определяет увилечениэ изображения), ко , зависит только от плотности возбуждения и от квантового выхода люминесценции в данной точке.

Креме того, принципы формирования катодолюминесцентюго изображения основаны на том, что световой сигнал преобразуется в -электрический и наоборот. Это позволяет использовать высокочувствительные светонакапливащиэ ' системы и получать качественные КЛ - изображения слабодюмннесцирующих объектов. .В этой главе также приводится схема установки по исследованию материалов в режима растровой электронной микроскопии с, цветным этображением кзтодолюмикесцентной информации на экран.

Третья глава. В этой главе обсуждаются результаты, полученные при исследовании алмазных пленок, выращэнных 1а различных подложках. Приводятся да:шыэ по изучении «атодолюмикесценткых и рамзкозских спектров изучаемых пленок, делается анализ морфологических особенностей пленок, исследованных с помогаю растрового электронного микроскопа (РЭМ) з режиме вторичной электронной эмиссии (ВЭЭ) и в режиме штодолюминесценции с цветным отображения спектральной информации ■а экране, качестве подложек для осаждения ~ алмазных пленок «пользовалось четыре материала, а тленно: молибден, кремний, жобий и медь (с напыленным слср-м ниобия). Выбор упомянутых атериалов для ссаэдзния пленок объясняется тем,, что они в большинстве случаев используются для выращивания алшзшх зтруктур, в том числе алмазных пленок. С этой точки зрения было

- IS -

интересно . проследить за тем, как влияет тип подложи на проце( : осаждения пленки, а также на ее физические свойства с учетом toi обстоятельства, что начальные -условия . осаждения осташ идентичными независимо от типа подложки. Под начальными - условия! процесса в данном , случае подразумеваемся такие его, параметр; как скорость продувки газа,, давление в рабочей, камере, напряжет и ток разряда плазмы, в которой * происходил рост пленки. Kpoî того, обсуждается исследование алмазных пленок, осажденных;i молибденовую, подложку при различных концентрациях метан Приводятся катодолшинесцентные спектры этих пленок и делается i сравнительный анализ.:

В-последние годы во многих научных статьях, посвященнг исследованию алмазных пленок, используется термин "высога качество пленки" ("high quality"). При этом для .оценки качества

пленки применялись различные методы диагностики, но, нигде, не »

приводится точного определения этого термина. В диссертационной работе была предложена- некоторая систематизация определения качества пленки, связанная как с учетом вышеперечисленных-методоз диагностики, так и с ' методом ЦКЛ, разработанным в кашей лаборатории.

Наличие ' амваюй фазы в пленке определяется ' метод; рамановской спектроскопии. Если в. спектре присутствует максим; при 1332 см-1, мы можем утверждать, что в состав пленки входит алмазная фаза. В таком случае величина амплитуды, полушири] полосы, а также форма крыльев КР-спектра исследуемой пленки да информацию о - балансе SP2 и SP3 компонент в составе пленки, т информацию о соотношении алмазной и неалмаэной фаз. Алмаз име* спектр в виде четкой узкой и интенсивной линии при 1232 см-Пленка на молибдене также, имеет максимум в этой точке, ; полуширина полосы на 5-8 см-1 больше, чем у природного алмаза, по бокам наблюдаются крылья и это . свидедьствуэг о том, что

пленке- на молибдене присутствует, пошило алмазной фазы .(графит 'ад).

Степень кристалличности. Для этой цели можно испольеова изображения поверхности пленки, полученные в растровом микросш

в режиме вторичной электронной эмиссии. Так, сравнивая ■-ЮЗ-изображения пленок, осажденных ка молибдене и на кремнии,., мы можем 'л утверждать, что в первой случае алмазная пленка состоит из кристаллов правильной кубо-октаэдрической Форш, в то время, ; как во втором,, мы наблюдаем сложную морфологическую структуру. Отсюда мы можем заключить, что на молибдене вырастает пленка с большой степенью кристалличности, чем на кремнии. Мы предполагаем, ' что ' корреляция между материалом подложки и свойствами осаждаемой на нее алмазной плетей , возникает .из-за особенности динамики взаимодействия углеродных радикалов с поверхностью подложи. Нам представляется вероятным, что в наших экспериментах влияние подложи на процесс зарождения пленки могло иметь место по причине разной степени- взаимодействия углеводородных радикалов с поверхностью подложи. Вполне возможно, что разные морфологические свойства растущих пленок определяется именно разной степенью диффузии атомов углерода в подложу и стабильностью ее кристаллической решетки. И с зтой точки зрения ..тот факт, что молибден относится к типу подлознси с наиболее стабильной поверхностью, согласуется с результатами наших исследований, показывающих реет пленки более всего приближенной к природному алмазу именно на молибденовой подложке.

Уровень дэфе юности. Здесь может быть два приближения, два уровня оценки. Первое приближение - это информация о пленках, получаемая с помощью КЛ-спектроскопии и ДДЛ-микроскопга!. Сравнивая' КЛ-спектры природного алмаза и алмазной плешей на молибдене, малою видеть, что однополасный спектр алмзза имеет максимум при 440 км и в большинстве работ принято считать, что эта полоса излучэвия возникает за счет рекомбинации докорно-акцепторкых пар, создаваемых азотом, бором или еще какими-нибудь примесями. Шжно предположить, что увеличение концентрации дефектов, т.е. повышение-уровня дефектности приведет к появления дополнительных центров люминесценции, а следовательно, к . усложнению спектра катодолюминесценции (сдвиг максимума в дшшоволновоую область, .. появление других максимумов etc.). Эту картину мы можем наблюдать в КЛ-сдактрах пленок, осажденных на кремнии, меди и ниобии. Что

касается пленки, выращенной иа молибденоюй подложе, то - как; молено видеть,. - она имеет один интенсивный максимум при 440 им и,' следовательно, го своим катодсшоминесцентным' свойствам более; л близка к природному алмазу/ чем пленки осажденные на других трех подложках. Другим методом для определения уровня дефектности' . алмазных пленок по нашему мнению , можно считать разработанный в нашей лаборатории метод цветной катодрлюминесцентной микроскопии (ЦКЛ). ' Этот метод позволяет получать визуальную пространственную информацию о "распределении центров люминесценции по поверхности изучаемого объекта. Преимущество его перед другими методами диагностики (например, метод КЯ-спектроскопии) заключается в том, мы* имеем интегральную характеристику о спектральных особенностях образца,' т.е. ; информация - снимается сразу со всей плоцрди материала, в то время как при КЛ-спектроскопии информация снимается с какой-нибудь локальной области образца. Кроме того, • ЦКЛ позволяет обнаруживать различные примеси, идентифицируя их по .цвету люминесценции. В диссертации . приведены изображения природного алмаза и алмазной пленки, выращэнной на молибдене. В обоих случаях наблюдается светло-синяя (голубая) • окраска катодолгаминесценщш. Здесь можно отметить, что в нашей лаборатории , было исследовано более 500'образцов природного алмаза и все они в . той или иной степени имели синюю или - голубую окраску, соответствующую спектральному интервалу 420 - 460 нм. Правда, в некоторых образцах встречались различные включения или дефекты, имеющие другой цвет люминесценции,1 но наиболее совершенные образцы имели ярко-Еыраденную синюю окраску, как и образец. Таким образом, -с, точки зрения цветной катодолюминсценции, совершенный-природный алмаз - это алмаз, который излучает только в сине-голубой области (420 - 460 нм) не имеет примесей и обладает четкой кристаллической огранкой. . Следует также отметить, что метод ЦКЛ позволяет оценивать . влияние концентрации метана, при котором происходит синтез пленки, на распределение центров люминесценции, а также на' их окраску. На приведенных КЛ-изображениях трех пленок, полученных при различных концентрациях метана: 1%, 5% и 7%, видно, что окраска постепенно меняется от сшей (при 1%) до красной (при 7%).

- IS -

Второе приближение, позволяйте более точно оценшзать 'качество алмазных пленок по отношению ,к качеству природного алмаза, может объединить два метода - ЭПР и метод экситонной рекомбинации. Исследование ; пленок ' методом

электрошю-парамагниткого резонанса , рае обсуждалось , выше, поэтому' рассмотрим второй метод - рекомбинацию на экситонах. Авторы ..отмечают, что излучение,, возникающее в. алмазе в результате рекомбинации на • свободных экситонах, характеризует совершенство его запрещенной зоны, а .также уровень существующих ' примесей. ^Рекомбинация свободных • зкситонов практически не. наблюдается в ^природных алмазах или в алмазах, синтезированных при высоком !давлешш (за исключением алмазов типа IIa и IIb), несмотря на то, .что рамановская спектроскопия показывает, присутсвие острого пика при 1332.5 см-1. Тугими словами, наличие рамановского пика .является необходим, но не достаточным условием для рекомбинации на свободных ■ экситонах. . Но :-в свободных от-- азота-'высококачэствэнных алмазах, получе1шых методом CVD, зть .рекомбинация может иметь место. Ее: присутсвие ' служит свидетельством чистоты, .и совершенства зонной структуры алмазов,. псэлученных методам химического . осаждения, т.е. по сути -алмазных пленок. Таким образом, наличие лиши излучения, ' ссютветствувдэй рекомбинации на свободных экситонах может служить показателей совершенства кристаллической структуры. Сравнение интенсивпостей ■A-полосы и экситошюй линии показывает, что процесс рекомбинация* -на свободных экситонах играет значительную роль в совершенных алмазных структурах и соотношение интенсивностей этих пиков ноаззт давать информацию о степени совершенства изучаемого образца. , Ошфаясь на изложенный выше , материал, мы . предлагаем следующие количественные критерии . для оценки приближенности физических свойств алмазной пленки к природному алмазу.' ■ f ■ .1. Наличие рамановского ronca При 1332см-1. При этом его полуширина не превышает 20-25% от полуширины пика KP. природного алмаза. - ; -' ■■ .

2. "А"-полоса М-спектра. расположена в интервале 420-460 нм, что соответствует области, ' содержащей КЛ-максимум природного

- 1в -

алмаза.

а Пленка считается достаточно кристашгадой, если отношение скоростей роста ее граней удовлетворяет двойному неравенству 0.577<Ш1ШЛН100К1.732. !

Используя приведенные • выше • данные,. можно также предложить; вариант упрощенной диагностики. качества алмазных пленок; Во-первых, для определения алмазной фазы в составе пленки следует исследовать еэ методом рамановской спектроскопии. Но здесь мы хотим сраау. оговориться и отметить, что нам важна не количественная, а качественная оценка пленки, то есть важен сам факт присутствия в ней алмазной фазы и, следовательно^ возможность дальнейшего ее изучения как алмазной пленки. И с этой точки зрения наличие в рамановском спектре максимуме при 1332 см-1 (независимо от его полуширины, интенсивности и "крыльев" по бокам) является, по нашему мнению, достаточным условием для того,; чтобы ш могли говорить о том, что пленка имеет алмазную фазу и значит можно оценивать- ее качество другими методами, т.е.; переходить к более детальной диагностики. И дня этой цели, для оценки чистоты и дефектности пленки, а также получения распределения алмазной фазы по ее, пленки, поверхности мы. предлагаем использовать метод цветной катодолюминесценции, описанный выше. Таким образом, эти два метода можно рассматривать как своего рода способ для экспресс-диагностики дефектности и, соответственно, качества алмазной пленки. \

В четвертой главе описываются исследования, политипной трансформации эгаггаксиальных слоев карбида кремния, проведенные методом ЦКЛ. Показано, что цветная " растровая микроскопия позволяет обнаружить эффект одинарной и двойной трансформации политипав 31С. Рассматривается возможность использования метода ЦКЛ в качестве экспресс-анализа для диагностики алмазных пленок и зпитаксиальных слоев карбида кремния. Установлено, что при росте эпитаксиальных слоев карбида кремния на профилированных подложках с отдельными выступающщш участками поверхности с площадью 02 -05 №.¡2 вероятность трансформации политипа значительно выш, чем на глада« поверхностях. Показано, что' политипныэ превращения при

росте ' зпитаксиальшх слоев SiC на профилированных подложках завися? от ориентации подложки, ее структурного совершенства и от геометрических размеров: выступа. С использованием метода ЦКЛ" был обнаружен эффект двойной; трансформации голитипов карбида кремния (типа ' 21R - ЗС - 4Н), выращенных на профилированных подложках. Для диагностики, и экспресс-анализа каадства слоев карбида, кремния и созд анных на их основе в условиях технологического контроля * светодиодных матриц можно . с успехом использовать метод цветной . катодолшинесценции, позволяющий идентифицировать различные шлитипы по спектру их.люминесценции.,

В ааижнент сформулированы основные выводы работы. '; j 1. В настоящей работе исследовались алмазные пленки, и карбидообразующие материалы, в частности SiC. вводился сравнительный анализ физических свойств алмазных; пленок,, 'выращенных на подложках из Mo,Si, Си и № при идентичных начальных условиях. Для изучения образцов применялся комплекс физических методов, включающих рамановскую спектроскопию, растровую электронную микроскопию, ' КЛ-спектроскопию и метод ВДЛ

ш

'' ' - * i -

2. Было показано, что рамановские спектры всех # пленок

содержат максимум при 1332 см-1, что свидетельствует • о наличии в их составе алмазной, фаза

; а Обнаружена корреляция между морфологическими особенностями алмазных пленок (такими как ориентация кристаллических поверхностей, совершенство кристаллической структуры, непрерывность) и их люминесцентными свойствами (наличие А-полосы в интервале ' 420 - 4S0 нм, пространственная однородность люминесцентных центров, форма и положение КЛ-сдактров).

4 Качество. пленок можно оценивать • с учетом : их морфологических и люминесцентных свойств относительно аналогичных свойств природного алмаза, как эталонного материала. Пленка по своему качзству наиболее близкая к природному - алмазу была получена на подложке из молибдена.

б. Обнаружено, что изменение концентрации СН4 (от 27. до

7%) при росте ■ пленки на молибденовой подложке не влияет на положение ее КЛ-спектра. . . .

6. Был изучен эффект трансформации политипов карбида кремния на гладких • и профилированных подложках. . Установлено, что политипные превращения при росте эпитаксиальных слоев SiC на профилированных подложках зависят от ориентации подложки, ее структурного совершенства и от геометрических размеров выступа. С использованием метода ЦКЛ был обнаружен эффект двойной трансформации на политипах по цепочке 21R ЗС -» 4Н.

7. Для диагностики и экспресс-анализа слоев карбида кремния и д алмазных пленок можно с успехом использовать метод цветной катодолюминесценции, позволяющий идентифицировать ■ : различные политипы по КЛ-спектру и оценивать пространственное распределение и спектральный состав люминесцентных центров синтезированных пленок.

Основные результаты опубликованы в работах:

1. Сапарин Г.Б., Обыден CJL, Чукичев МЛ, Сергиенко В.Ф., Ахмедов Б.А. "Шявление дефектов за пределами области имплантации в природном алмазе." (в сборнике "Тезисы докладов Всесоюзной конференции по алмазам", Москва, 1991, с.57)

.. 2. G.V.Saparin, N.V.Suetin, MA.Timofeev, M.V£hukichev, SJi.Obyden, BAA№medov. Cathodolminescence studies of Diamond Films grown by CVD-techmque on different substratfes. - Thirc! International Conference on the New Dianmj Science and Technology,"Diai>m3-92", p.13.17

3.. ЕЯШхов, Г-В.Сапарин, АДРоенков, " СЛ.0быден;

Б.А.Ахмедов. Трансформация политипа SiC при росте на профилированных подложках. - Известия АН, серия физическая, 1993, т.57, No.8, стр.51 - 55

Подлизано к почат №. 12. ЭЗ^екаэ № 12- , *ир«в 70 Отпечатано на ро«априн«в в типографии НПО Гидромоетрибор, г. Тсакен®, ул. Аеамова, 4.