Развитие фазочувствительных рентгенодифракционных методов исследования структуры приповерхностных областей кристалла тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГ5 ОД

л л На правах рукописи

' 6 МАР 1303

УДК 548.732

Крейнес Александр Яковлевич

РАЗВИТИЕ ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ РЕНТГЕНОДИФРАКЦИОННЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ОБЛАСТЕЙ КРИСТАЛЛА

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Институте кристаллографии им. A.B. Шубникова РАН

Научный руководитель'

доктор физико-математических наук М.В. Ковальчук Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор A.A. Кацнеяьсон

доктор физико-математических наук Э.В. Суворов

Ведущая организация: Объединенный институт ядерных исследований

Лаборатория нейтронной физики им. И.М. Франка

Защита диссертации состоится "/I" 1998 г. в час. ¿Фмин. на

заседании диссертационного совета Д002.58.01 в Институте кристаллографии РАН по адресу: 117333 Москва, Ленинский проспект, 59.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института кристаллографии РАЛ.

Автореферат разослан "(3' ^$¡^^1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

В.М. Каневский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Основной задачей рентгенодифракционного анализа структуры кристаллов является определение координат составляющих кристалл атомов. Информацию о взаимном расположении атомов можно получить, исходя из комплексного структурного фактора, определение которого по ренпе-нодифракционным данным требует решения фазовой проблемы. Как известно, она состоит в том, что измеряемая в экспериментах интенсивность дифрагированного излучения определяется квадратом амплитуды структурного фактора, информация же о его фазе теряется.

Решать фазовую проблему приходится, во-первых, в структурном анализе, при исследовании кристаллов неизвестного строения, а во-вторых, при изучении реальной структуры кристаллов и кристаллических объектов, 'когда фазовая информация позволяет определять взаимное расположение атомов в нарушенных слоях и эпитаксиальных структурах, а также многокомпонентных кристаллах. При этом общая структура кристаллической решетки обычно известна, и речь идет только об определении положения какой-то небольшой части атомов относительно кристаллической матрицы.

Развитию и использованию фазочувствктельных рентгеиодкфракцн-онных методов исследования реальных кристаллов и посвящена данная работа.

Актуальность темы.

Основное внимание в данной работе уделено двум методам: стоячих рентгеновских волн (СРВ) и многоволновой дифракции (МД), применительно к исследованию тонких приповерхностных областей кристаллов, кристаллических структур и границ раздела.

Метод СРВ, основанный на измерении кривых выхода вторичных процессов, возбуждаемых пространственно модулированным электромагнитным полем, возникающим в кристалле при динамической дифракции рентгеновских лучей, хорошо известен как-метод непосредственной лока--— лизации атомов. В последние годы этот метод получил широкое рапро-странение как средство исследования важных с практической точки зрения материалов и объектов, в частности, таких как тонкие пленки и многокомпонентные кристаллы.

Например, гетероструктуры СаИг/Э^! II), исследованные в работе методом СРВ, представляют интерес как прототипы трехмерных полупроводниковых структур. Одним из важнейших типов многокомпонентных кристаллов являются высокотемпературные сверхпроводники. Именно этим определяется актуальность осуществленного в работе наблюдения стоячих рентгеновских волн при брэгговском отражении от ВТСП. Стоячие рентгеновские волны в двухволновой схеме дифракции в основном применяются для исследования кристаллов высокой степени совершенства. Расширения класса исследуемых объектов можно достичь переходом к геометрии нормального падения, когда собственная ширина кривых отражения возрастает на порядки. В связи с этим, актуальной является описанная в работе реализация метода СРВ на типовой синхротронной станции фотоэлектронной спектроскопии.

Явление многоволновой дифракции рентгеновских лучей широко используется в рештеноструктурном анализе для определения фазы амплитуды отражения.

Как было показано ранее, в высокоразрешающих многоволновых экспериментах оказывается возможным получать фазовую информацию от отдельных слоев приповерхностной области образца, что необходимо при исследовании структуры кристалла с нарушенным поверхностным слоем. Поэтому актуальной является постановка высокоразрешающих экспериментов, что позволяет получить фазовую информацию от отдельных слоев образца. Для таких экспериментов падающий пучок должен быть сколли-мирован в двух плоскостях.

Все описываемые в работе эксперименты выполнялись как с использованием излучения от обычных рентгеновских трубок, так и на источниках синхротронного излучения. Это потребовало развития аппаратурно-методической базы для высокоразрешающих рентгенодифракционных экспериментов, что также нашло отражение в диссертации.

Цель работы заключалась в развитии фазочувствитеяьных рентгенодифракционных методов, а именно, метода стоячих рентгеновских волн и многоволновой дифракции. Были решены следующие задачи: - развита аппаратурно-методическая база высокоразрешающих рентгенодифракционных экспериментов;

- исследована структура границы раздела методом стоячих рентгеновских

волн на гегероэпигакслальных структурах с тонкими пленками;

- наблюдено формирование стоячих рентгеновских волн при брэгговской

дифракции на кристаллах ВТСП Ыс^^Сео.иСиО,^;

- реализован метод стоячих рентгеновских волн в условиях нормального

падения в исследовании монослоев лантана на кремнии (111) на типовой синхротронной станции фотоэлектронной спектроскопии;

- продемонстрирована возможность использования многоволновой дифракции в условиях высокого разрешения для получения информации о строении приповерхностных областей кристалла и эпигаксиальных пленок.

Научная новизна. В ходе работы:

- получены данные о структуре поверхности раздела пленка/подложка в гетероэпитаксиальных структурах СаРгЛИО 11);

- впервые наблюдено формирование стоячей рентгеновской волны при брэгговской дифракции на кристалле ВТСП Ыс^жСео.^СиОфб;

- с использованием высокоразрешающей многоволновой дифрактометрии,

определена суммарная деформация приповерхностной области ионно-имплантированного кристалла 51(100);

- в высокоразрешающих многоволновых экспериментах с использованием

излучения от обычной рентгеновской трубки, впервые наблюдено аномальное усиление эффекта окольного возбуждения при дифракции (000)(111)(220) на гетероструктуре ГполОаозРЛЗаАБО11). Практическая ценность результатов работы:

- разработана и практически использована компьютерная система управле-

ния экспериментом и сбора данных с помощью рентгеновского спектрометра, построенного на основе модульного гониометрического набора;

- продемонстрирована возможность получения количественных результа-

тов методом стоячих рентгеновских волн в геометрии нормального падения на обычной синхротронной станции, предназначенной для фотоэлектронной спектроскопии; -на основе высокоразрешающей многоволновой дифракции,. предложен метод определения деформации приповерхностной области иопно-имплантированного кристалла;

- показана эффективность использования обнаруженного аномального уси-

ления эффекта окольного возбуждения для характеризации гетероэпи-таксиальных структур. Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- IV Международная конференция по использованию синхротронного из-

лучения (8151-91), Честер, Англия 1991

- IV Международная конференция по формированию поверхностей раздела

в полупроводниках (1СР81-4), Юлих, Германия, 1993

- IV Международная конференция по поверхностному рентгеновскому и

нейтронному рассеянию (8ХИ8-4), Лейк-Женева, США,' 1995

- Национальная конференция по оборудованию для синхротронного излу-

чения (8Ы'95), Аргонн, США, 1995

- Международная конференция "Интерференционные явления в рассеянии

рентгеновских лучей" (1РХ-95), Москва, 1995

- III Европейский симпозиум "Рентгеновская топография и высокоразре-

шающая дифрактометрия" (Х-ТОР'96), Палермо, Италия, 1996

- Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротрон-

ного излучения, нейтронов и электронов для исследования материа-лов(РСНЭ-97), Москва-Дубна, Россия, 1997 -XVII Европейский кристаллографический конгресс (ЕСМ-17), Лиссабон, Португалия, 1997

Работы, материалы которых вошли в состав настоящей диссертации, докладывались на конкурсе научных работ Института кристаллографии РАН им. А. В. Шубникова.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 12 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных иа^ страницах текста. Кроме того,

43 18° -

она содержит '^рисунков и список литературы из1 наименовании.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность темы, сформулированы общие цели работы и указаны основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой обзор современного состояния развиваемых в работе методов. Описаны возможности и области применения метода стоячих рентгеновских волн в исследованиях структуры приповерхностных слоев и границ раздела. Указывается на методическую сложность экспериментов по исследованию поверхности раздела кристаллическая подложка-адсорбированный слой в условиях сверхвысокого вакуума.

Описаны возможности применения многоволновой дифракции для решения фазовой проблемы. Показано, как расширяются возможности метода при переходе к высокоразрешающим экспериментам.

Во второй главе дано описание развитой во время выполнения настоящей работы аппаратурно-методической базы для высокоразрешающих рентгенодифракциоиных экспериментов.

Современные прецизионные рентгеновские методы характеризуются большим разнообразием применяемых рентгенооптнческих схем. В связи с этим, возникает необходимость разработки гибкого набора гониометрических модулей, из которых можно было бы быстро собирать рентгеноопти-ческие схемы в соответствии с требованиями конкретного эксперимента. Эта задача становится еще более важной при разработке оборудования для синхротронных станций, поскольку чем более универсальным и гибким будет оснащение станции, тем более разнообразные научные проблемы можно будет решать с ее использованием и тем быстрее можно будет осуществлять ее перестройку при переходе от одной проблемы к другой, а следовательно, тем более эффективно ее можно будет использовать.

Для решения этих задач был разработан принципиально новый подход к созданию экспериментальной базы для высокоразрешающих исследований с использованием рентгеновского излучения и синхротронного излучения жесткого рентгеновского диапазона. В основу подхода был положен модульный принцип построения оборудования, базирующийся на том факте, что любой, сколь угодно сложный, рентгенодифракционный эксперимент фактически сводится к регистрации зависимости интенсивности рассеянного образцом излучения от угла поворота образца вокруг одной из трех взаимно перпендикулярных пространственных осей. При этом число каналов рассеяния и, соответственно, каналов регистрации, может меняться от единицы, как в традиционных рентгенодифракциоиных экспериментах, до трех, как при реализации метода стоячих рентгеновских волн в условиях

трехволновой дифракции. Юстировка образца также сводится к последовательности вращений образца вокруг этих осей и линейных перемещений. Поэтому задача состоит в том, чтобы, построить набор (из небольшого числа элементов) гониометрического оборудования и вспомогательных устройств, из которых можно было бы собирать рснтгеиооптвческие схемы в соответствии с требованиями конкретного эксперимента.

Были разработаны четыре гониометрических модуля: базовый двух-кружный гониометр с вертикальной осью вращения, кольцо, реализующее вращение вокруг горизонтальной оси, малогабаритный прецизионный гониометр и полукольцо. Помимо них, модульный набор оборудования включал в себя следующие дополнительные устройства: блок генерации и монохроматизация рентгеновского излучения, автоматический кристалло-держатель с тремя степенями свободы, системы щелей. Подробное описание гониометрических модулей и вспомогательных, устройств и примеры их использования для реализации физических экспериментов приводятся во второй главе диссертации.

В рамках этой работы, проводившейся на протяжении более чем десяти лет, диссертант принимал участие в составлении технических заданий для отдельных модулей, усовершенствовании технологии производства, а также исследовал характеристики различных модулей и рентгенооптнче-ских схем.

Модульный принцип был использован и при разработке программного обеспечения, которое должно легко перестраиваться под конкретный физический эксперимент. С использованием объектно-ориентированного языка программирования Turbo Pascal 6.0, был разработай набор процедур, обеспечивающих выполнение высокоразрешающих рентгенодифрак-ционных экспериментов на базе модульного оборудования. Созданный программный комплекс обеспечивает как "чистые" рентгенодифракцион-ные эксперименты (в том числе, с использованием многоволновой дифракции), так и реализацию метода СРВ, для чего необходимо обеспечить измерение угловых зависимостей вторичного излучения. Кроме того, поскольку интенсивность полезного сигнала, измеряемого в исследованиях структуры приповерхностных областей, часто бывает очень мала, программный комплекс обеспечивает накопление сигнала при динамической стабилизации положения образца.

Созданная система автоматизации рентгенодифракциоиного эксперимента обеспечивает выполнение следующих действий: юстировка образца; измерение зависимости интенсивности рассеянного излучения от угла поворота ьокруг любой из осей вращения с регистрацией интенсивности по двум каналам; выбор области углового сканирования для накопления слабого сигнала с динамической стабилизацией положения образца и собственно накопление сигнала.

Структура программы позволяет легко менять число используемых шаговых двигателей и параметры вращения вокруг осей (угловой диапазон, люфт, шаг позиционирования). Помимо этого, все процедуры управления аппаратной частью установки собраны в отдельную библиотеку, благодаря чему программу можно легко модифицировать для работы с другим аппаратным обеспечением.

Помимо программы управления и сбора данных, с применением языка программирования Turbo С 2.0 был также разработан набор программ для первичной обработки экспериментальных данных. Программы позволяют, в частности, вычитать фон и разделять характеристические тки от разных элементов, что необходимо для анализа многокомпонентных кристаллов.

Третья глава посвящена описанию экспериментов с использованием метода стоячих рентгеновских волн. В главе приводятся результаты исследований объектов, имеющих большую практическую значимость: гетеро-эпигаксиальных структур CaFî/Si(l 11) с тонкими пленками и кристаллов ВТСП Ndi.ssCeo.uCuO«. Описывается реализация метода СРВ в условиях нормального падения на стандартной синхротронной станции для фотоэлектронной спектроскопии. Развитие метода СРВ в условиях нормального падения позволяет значительно уменьшить методические сложности реализации метода стоячих волн в условиях сверхвысокого вакуума и расширить класс практически важных объектов, которые могут быть исследованы методом СРВ.

Образцы гетероструктур CaF2/Si(l 11) были получены в Санкт-Петербургском физико-техническом институте РАН им. А.Ф. Иоффе. В исследованиях использовались образцы с пленками толщиной 10 нм, выращенными методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Были исследованы пленки, выращенные при четырех различных значениях температуры: 100, 550, 660

и 770°С. Различные температуры роста пленки физически соответствуют различиям в рассогласовании параметров решетки в системе плен-ка/поддожка.

Измерения методом СРВ осуществлялись с использованием рентгеновского излучения от обычной рентгеновской трубки. Спектрометр для измерений был собран из описанного во второй главе гониометрического набора и работал под управлением программного обеспечения, построенного из описанных там же программных модулей. Регистрировались угловые зависимости характеристической линии флуоресцентного излучения СаК„. Ввиду малой толщины пленки, интенсивность полезного сигнала была весьма малой, вследствие чего при измерениях проводилось накопление сигнала с применением системы динамической стабилизации положения образца в течение 10-12 часов.

Форма кривой выхода для пленки заданного состава и толщины определяется тремя параметрами: разностью межплоскостных расстояний между пленкой и подложкой для используемого рефлекса, шириной границы раздела, а также статическим фактором Дебая-Валлера, характеризующим кристаллическое совершенство пленки.

Разность межплоскостных расстояний определялась из независимых измерений обычных кривых отражения для рефлекса (222). Для кремния оно является "квазизапрещенным", а для флюорита - разрешенным, что облегчает выявление слабого пика от гонкой пленки на фоне "хвоста" мощного отражения от подложки. Остальные два параметра исследуемых гетеро-структур определялись методом наименьших квадратов.

Результаты измерений приведены в Табл. 1. Видно, что для всех образцов получены близкие значения ширины границы раздела. Эти значения близки к результатам, полученным в экспериментах с монослоями в условиях сверхвысокого вакуума.

Таблица 1. Результаты исследований гегероструктур СаР^^И 1) с пленками толщиной 10 им, выращенными методом молекулярно-лучевой эпитак-сии при различных температурах.

Температура роста пленки 100С 550°С 660°С 770"С

Да/а, % 0.8 1.7 1.9 2.2

49и!, угл. сек. —640 —550 — 320 — 25

е», % — 0.58 — 0.42 0.007 0.55

е-™ 0.80 0.80 0.65 0.65

Ширина границы раздета, А 2.91 2.86 2.83 2.91

Обращает на себя внимание заметное уменьшение статического фактора Дебая-Валлера при переходе от температуры роста 550°С к 660°С. Понижение степени совершенства пленки может быть связано с образованием дислокаций несоответствия, вызванным увеличением рассогласования параметров решетки с повышением температуры роста пленки. В пользу такого предположения говорит и тот факт, пленки, выращенные при температурах 660°С и выше, оказываются растянутыми, а выращенные при более низких температурах - сжатыми. Такой эффект смены знака деформации, как известно, также свидетельствует о возникновении дислокаций несоответствия.

Одной из самостоятельных задач настоящей работы было изучение принципиальной возможности использовать метод стоячих рентгеновских волн для исследования структуры высокотемпературных сверхпроводников. Были выполнены эксперименты на кристаллах ШигСео.^СиО-к с ориентацией (001), в которых ранёе наблюдался динамический эффект аномального прохождения рентгеновских лучей. Применив метод СРВ для исследования такого кристалла, можно было бы получать количественные характеристики отдельных подрешеток кристаллов ВТСП, что важно как для выявления дефектов в подрешетке, так и с точки зрения анализа предпочтительных позиций атомов разных сортов в твердых растворах замещения.

В обычной двухкристальной схеме измерялись кривые выхода флуоресценции N(11^ и ИёЬр!, а также СиКа и СиКР1. Результаты измерений и теоретических расчетов приведены на Рис. 1 (а) и (б) соответственно. Как видно, экспериментальные кривые значительно уширены по сравнению с расчетными, что свидетельствует о низком кристаллическом совершенстве образца. Несмотря на это, на кривых выхода вторичного излучения для обоих элементов видны характерные модуляции, свидетельствующие о возникновении и интерференционном движении СРВ. Эти модуляции одно-

00 (б)

Рис. 1. Экспериментальные (а) и теоретические (б) кривые отражения и выхода флуоресцентного излучения от атомов неодима (Ь0-и меди (Ка-К(л) в кристаллах ВТСП Nd1.ssCeo.15CuO.1-j;.

Широкие возможности для исследования структуры кристаллов невысокой степени совершенства, к которым относятся и кристаллы ВТСП, открывает метод стоячих рентгеновских волн в условиях обратного рассеяния, когда, как известно, собственная ширина кривых отражения возрастает на порядки. В частности, собственная ширина использованного нами отражения (006) при этом составляет около 1°. Наблюдение динамической дифракции при отражении по Брэггу в обычных условиях позволяет сделать вывод о том, что при переходе к обратному рассеянию (что легко может быть реализовано с использованием синхротронного излучения) можно будет применять метод СРВ для изучения количественных характеристик структуры и дефектов кристаллов ВТСП.

Переход к обратному рассеянию позволяет не только расширить класс практически важных объектов, которые можно исследовать методом СРВ, но и уменьшить методические сложности при изучении таких традиционных для СРВ объектов, как адсорбированные монослои. Значительное увеличение собственной ширины кривых отражения в условиях обратного рассеяния позволяет на порядки "смягчить" требования к угловой расходимости и монохроматичности падающего пучка и точности углового позиционирования образца. Несмотря на очевидные достоинства геометрии обратного рассеяния, к настоящему времени выполнено лишь несколько работ с использованием данной модификации метода стоячих рентгеновских волн. Между тем, использовав эту геометрию, можно реализовать метод СРВ на стандартных синхротронных станциях для фотоэлектронной спектроскопии, что значительно расширило бы возможности всесторонней характеризации исследуемых объектов с использованием нескольких структурно-чувствительных методов. В связи с этим, в рамках настоящей работы была выполнена задача по реализации метода стоячих рентгеновских волн в условиях обратного рассеяния с использованием сверхвысоковакуумной камеры, предназначенной для фотоэлектронной спектроскопии.

Исследования проводились на станции KMC источника синхротрон-ного излучения BESSY I (Берлин). Исследовались монослои La, адсорбированные на атомарно-чистой поверхности Si(l 11). В камеру, откачанную до остаточного давления Ю-10 мбар, помещалась кристаллическая пластинка Si(lll). Она очищалась нагревом до температуры примерно 1000°С, после чего на картине дифракции медленных электронов от ее поверхности можно было наблюдать сверхструктуру 7x7. С помощью ручного манипулятора, пластинка устанавливалась в положение, обеспечивавшее дифракцию в условиях нормального падения. Для регистрации интенсивности дифрагированного излучения в данном случае можно было использовать монитор падающего пучка. Одновременно записывался полный квантовый выход фотоэлектронов от образца. Интенсивность выхода фотоэлектронов в зависимости от энергии падающего излучения изображена на Рис. 2. Помимо К-края поглощения кремния и характерной EXAFS-структуры, на кривой хорошо видна особенность в области энергии 1977 эВ, соответствующей брэгговскому отражению в условиях нормального падения. Данная особенность свидетельствует о возникновении СРВ в кристалле. После напы-

ленкя моиослоя (толщина напыленного слоя определялась с помощью тщательно калибрированного кварцевого резонатора) измерение кривой выхода фотоэлектронов повторялось. Вклад от монослоя определялся по разности между кривыми, измеренными до и после и напыления. Для повышения точности результатов, при измерении интехральных кривых выхода фотоэлектронов на детектор подавалось отрицательное смещение, позволявшее отсечь интенсивную Оже-линию КIX кремния. Методом наименьших квадратов, по результирующей кривой определялись когерентная позиция и когерентная фракция, характеризующие расстояние между монослоем и подложкой и степень упорядоченности монослоя, соответственно.

Энергия падающего излучения, эВ

Рис. 2. Кривая зависимости полного квантового выхода фотоэлектронов и» кристалла Si(l 11), установленного перпендикулярно падающему пучку, от энергии падающего излучения. Стрелкой отмечена особенность, соответствующая возникновению стоячей рентгеновской волны при брэгтовской дифракции в условиях нормального падения (1977 эВ). Скачок при 1838 эВ соответствует К-краю поглощения S1.

Четвертая глава диссертации посвящена изучению тонких интерференционных эффектов, сопровождающих взаимодействие рентгеновского излучения с веществом в условиях многоволновой дифракции и развитию на этой основе метода высокоразрешающей многоволновой дифракции для исследования структуры реальных кристаллов.

МногоБОлновая дифракция возникает, когда на сферу Эвальда одновременно попадают три и более узлов обратной решетки. Экспериментально реализовать многоволновуго дифракцию можно следующим образом: сначала образец устанавливают под углом Брэгга для одного из отражений, затем вращают его вокруг направления вектора обратной решетки для этого отражения (если первое отражение - симметричное, то это соответствует просто вращению вокруг нормали к поверхности образца) до тех пор, пока условие Брэгга не окажется выполненным для второго отражения. При этом обычно используют несколько детекторов - по одному для каждого из отражений. Приводимые ниже кривые отражения были измерены именно таким образом.

Хорошо известно, что благодаря взаимному влиянию участвующих в 'МД рефлексов, измеренные в таких условиях кривые отражения можно использовать для решения фазовой проблемы. В условиях низкого углового разрешения получаемые кривые характеризуют образец в целом. При переходе к высокому угловому разрешению в условиях динамической многоволновой дифракции трехволиовые кривые отражения можно использовать для характеризации отдельных приповерхностных слоев образца. При этом следует измерять угловые зависимости коэффициента отражения в угловых областях, где одно из отражений является слабым, а другое сильным; такие условия реализуются, когда образец отвернут от точного трехволнового положения на определенный угол. В этом случае угловая зависимость интенсивности слабого отражения определяется фазой сильного отражения, а сама дифракционная картина, как следует из динамической теории, формируется в приповерхностном слое, толщина которого зависит от углового расстояния до точного брэгговского положения. Фактически, метод высокоразрешающей многоволновой дифракции в значительной степени аналогичен методу стоячих рентгеновских волн, где вместо вторичного излучения измеряется интенсивность слабого отражения, участвующего в многоволновой дифракции. Измерив несколько кривых на разных отворотах от точного брэгговского положения, можно выполнить послойную характе-ризацию кристаллов с нарушенным поверхностным слоем.

Для осуществления этой задачи необходимо тщательно сколлимиро-ватъ падающий пучок относительно обоих участвующих в дифракции отражений. Данная операция приводит к значительным потерям интенсив-

ности, поэтому обычно считается, что высокоразрешающую МД можно реализовать только с использованием синхротронного излучения. В данной работе описываются эксперименты по высокоразрешающей МД с использованием как синхротронного излучения, так и излучения от обычной рентгеновской трубки.

Высокоразрешающая многоволновая дифракция сочетает в себе фазовую чувствительность с возможностью выделения сигнала от тонкой приповерхностной области. В ходе данной работы была изучена возможность использования данного уникального сочетания свойств для определения накопленного фазового сдвига в приповерхностной области деформированного кристалла. Эксперименты проводились на источнике синхротронного излучения в Дарсбери, Великобритания; в качестве образца использовался ионно-имплангированный кристалл 81(100). Измерялись угловые зависимости коэффициентов отражения в многоволновой конфигурации (000)(400)(311)(1 -1 -1). Для измерений была выбрана такая угловая область, где влиянием лауэвского рефлекса (1 -1 -1) можно было пренебречь. Проблема коллимации падающего пучка относительно двух плоскостей решалась следующим образом: для коллимации в одном направлении применялся дополнительный кристалл-коллиматор, а угловая расходимость пучка в перпендикулярном направлении ограничивалась щелями, находившимися на расстоянии 20 м друг от друга (одна - у накопительного кольца, другая -непосредственно у выходного окна двухкристального монохроматора).

Была измерена серия зависимостей коэффициента отражения от угла качания при различных значениях угла азимутального отворота от точного брэгтовского положения. Вначале измерялись кривые для идеального кристалла, а затем, в идентичных условиях - кривые для ионно-имплантированного образца. Для определения суммарной деформации ионно-имплантированного слоя использовались кривые, соответствующие

1 Х104

Л9, угл.сек

Рис. 3. Угловые зависимости коэффициентов отражения доя рефлексов (311) и (400) в области полного дифракционного отражения (400) для идеального и ионно-имплантированного кристалла 81(100) вблизи точки многоволновой дифракции (000)(400)(311)(1 -1 -1). Крестиками и звездочками обозначены угловые зависимости коэффициента отражения (311) для идеального и ионно-имплантированного кристалла, соответственно. Треугольниками изображен пик дифракционного отражения (400) для ионно-имплантированного кристалла. Линии соответствуют результатам расчетов. Образец повернут на 60 угл. сек. от точного брэгговского положения.

повороту по азимуту на 60 угл. сек. от точного брэгговского положения (см. Рис. 3). Вызванный деформацией суммарный фазовый сдвиг определялся по наилучшему совпадению расчетных кривых с экспериментом; его значение составило 180+20°, что находится в хорошем соответствии с опубликованными ранее результатами, полученными на том же образце с использованием другого метода.

На базе описанного во второй главе диссертации модульного гониометрического оборудования была реализована серия рентгенодифракцион-ных экспериментов по высокоразрешающей многоволновой дифракции с использованием рентгеновского излучения от обычной трубки. Для коллимации пучка в горизонтальной плоскости использовалось симметричное

отражение (111) от плоского кристалла Ge, в вертикальной плоскости пучок коллимировался за счет отражения от симметричного кристалла Ge(l 11) с "пропилом" (щелью). В качестве исследовательского гониометра использовался четырехкружный гониометр, собранный из базового двух-кружного гониометра, кольца с горизонтальной осью вращения и малогабаритного прецизионного гониометра. Для проверки работоспособности собранной рентгеноопгической схемы и определения коллимации первичного пучка были проведены измерения фазочувствительных "хвостов" кривых отражения для симметричного кристалла Ge(lll) в многоволковой конфигурации (000)(П 1)(220) с использованием CuK^i излучения. Эффективная коллимация определялась по уширению двухволновых кривых отражения (111) и (220) и составляла 15 угл. сек. относительно рефлекса (111) и 12 угл. сек. относительно рефлекса (220). При этом интенсивность падающего на образец излучения составляла примерно 4000 имп/с, что достаточно для рентгенодифракционных измерений. На Рис. 4 показаны экспериментальные и теоретические угловые зависимости коэффициентов отражения (111) и (220) от идеального кристалла Ge(l 11) вблизи многоволновой брэгговской точки.

w » Sä дб (vrn. сек.)

Рис. 4. Угловая зависимость коэффициента отражения (220) в области полного дифракционного отражения доя рефлекса (111) от симметричного кристалла Ge(l 11) вблизи многоволновой точки (000)(111)(220). Кристалл повернут по азимуту на 120 угл. сек. от точного ыноговолнового положения; квадраты соответствуют рефлексу (111), точки - рефлексу (220), сплошными лишим и юображены результаты расчетов.

В настоящее время, однако, в литературе описаны только эксперименты по исследованию динамической многоволновой дифракции на монокристаллах. Между тем, динамическая многоволновая дифракция на гетеро-структурах должна быть значительно богаче эффектами. В связи с этим, в рамках представленной работы было выполнено поисковое исследование по динамической многоволновой дифракции на гетероэпитаксиальной структуре Ino.iGao.sP/GaAsfl 11) с пленкой толщиной 0.5 мкм. В экспериментах использовался описанный выше высокоразрешающий спектрометр для многоволновой дифрактометрии. Исследовались зависимости коэффициента отражения от угла азимутального вращения в окрестности многоволновой точки для конфигурации (000)(220)(111). Переход от кривых качания к кривым азимутального сканирования в данном эксперименте продиктован желанием избавиться от связанных с наличием пленки осцилляций на кривой качания, маскирующей многоволновые эффекты. Эксперименты проводились с использованием Си K« излучения от обычной рентгеновской трубки.

На Рис.5 приведены экспериментальные и теоретические зависимости коэффициента отражения от угла азимутального сканирования при фиксированной (90 угл.сек.) отстройке от многоволновой точки по углу качания. Для сравнения на этом же рисунке приведены аналогичные кривые для совершенного монокристалла GaAs. В верхней части рисунка изображены экспериментальные и теоретические зависимости коэффициента отражения рефлекса (111) от угла азимутального сканирования. В нижней части рисунка приведены кривые азимутального сканирования для рефлекса (220). Характерный многоволновой эффект на кривых для рефлекса (111) в области сильного отражения (220) наблюдается как для гетеростуктуры, так и для монокристалла GaAs, однако эффект для гетероструктуры значительно сильнее выражен и заметно отличается по форме.

Видно, что для монокристалла наблюдается удовлетворительное совпадение между теорией и экспериментом, для гетероструктуры же имеется лишь качественное соответствие. Такое расхождение может быть связано с наличием деформаций в относительно толстой пленке. Наблюдаемый эффект можно объяснить перерассеянием формируемого в подложке сильного пучка (220) за счет Лауэ-дифракции по связующему отражению (-1-11) в

р 111

д^утсв.

Рис. 5. Экспериментальные и теоретические зависимости коэффициентов отражения доя рефлекса (220) (а) и (111) (б) от угла азимутального сканирования вблюи многоволновой точки (000)(111)(220) для монокристалла ваАзО 11) и гетероструктуры 1по^Оао^Р/СаА5(111). Обазец повернут на 90 угл.сек. по углу качания от точного многоволнового положения.

рХ г 111 0.003- i ¡\ — 0 — d — +1/2 d

0.002- 1 1 1 !

0.001- -X /1,

1

""-}[ а

0.000

100 200 Дф, угп. сак.

Рис. 6. Расчетные пяоековолновые зависимости коэффициента отражения (111) от гетероструктуры Inoj Gao.jP/GaAs(l 11) с пленкой толщиной 30 нм для тех же условий измерения, что и кривые на рис. 5. Различные кривые соответствуют различным предположениям о ширине границы раздела (указаны смещения системы дифракционных плоскостей пленки относительно системы дифракционных плоскостей под ложки).

пленке. Этот дважды дифрагированный пучок оказывается параллелен пучку, дифрагированному на плоскостях (111) в подложке и дает дополнительный вклад в суммарную интенсивность, фиксируемую детектором, используемым для регистрации озражения (511).

Как показывают расчеты, наблюдаемый эффект чувствителен к толщине плешей, а для тонких пленок - к структуре границы раздела. На Рис.6 представлены теоретические угловые зависимости коэффициента отражения (111) для гетероструктуры 1по.зОао.5Р/ОаА5(111) с пленкой толщиной 30 нм, рассчитанные в предположении различной ширины границы раздела. Отметим, что в то время, как на двухволновых кривых отражения наличие на подложке пленки такой малой толщины практически не сказывается, Трехволновые кривые "чувствуют" пленку достаточно хорошо.

В заключении сформулированы основные выводы работы.

ВЫВОДЫ

1. На основе модульного принципа развита аппаратная база для проведения высокоразрешающих рентгенодифракционных измерений как на обычных рентгеновских трубках, так и на источниках синхротронного излучения. Разработана система управления высокоразрешающим рентгено-дифракционным экспериментом. На базе этой системы реализована методика высокоразрешающих измерений с использованием стоячих рентгеновских волн и многоволновой дифракции.

2. Методом стоячих рентгеновских волн проведено исследование эпи-таксиальных структур СаР^О 11) с пленками толщиной 10 нм, выращенными методом молекулярно-лучевой эпитаксии при различных температурах. Установлено, что ширина границы раздела не зависит от температуры роста пленки и составляет 2.88+0.03 А, что соответствует ситуаций, когда ближе всего к кремнию располагается слой атомов кальция а не фтора.

3. По кривым выхода вторичной флуоресценции от кристалла ВТСП Ш,.85Сео.,5Си04* впервые наблюдалось формирование СРВ при брэгговской дифракции, проявляющееся в возникновении характерных модуляций на кривой. Сделан вывод о возможности получения количественной структурной информации при переходе к геометрии обратного рассеяния.

4. На стандартной станции фотоэлектронной спектроскопии син-хротронного источника BESSY-I реализован метод стоячих рентгеновских волн в условиях обратного рассеяния с регистрацией фотоэлектронов. Этим методом получено значение ширины границы раздела пленка/подложка для монослоя La на Si(I i !).

5. Отработана методика двумерной коллимации пучка для многоволновых экспериментов с использованием излучения от обычной рентгеновской трубки. Проведены измерения "хвостов" кривых отражения от идеального германия в конфигурации (000)(111)(220), демонстрирующие хорошее совпадение с расчетом.

6. С использованием многоволновой дифракции рентгеновских лучей, впервые на источнике синхротронного излучения проведены измерения суммарной деформации приповерхностного слоя ионно-имплантированно-го кристалла Si(100). Измерения проводились в мнсгоеояиоеой конфигурации (000)(400)(311)(1 -1 -1). Был определен суммарный сдвиг фазы вследствие деформации приповерхностного слоя, равный 180+20°, что совпадает с опубликованными данными, полученными для этого же кристалла по кривым выхода фотоэлектронов.

7. На структуре InojGa«.5P/GaAs(l 11) с пленкой толщиной 0.5 мкм впервые наблюден динамический эффект аномального усиления пика окольного возбуждения за счет дифракции через связующее отражение в пленке пучка, дифрагированного от подложки. Показана возможность применения данного эффекта для характеризации тонких пленок. Продемонстрирована чувствительность амплитуды пика окольного возбуждения и формы кривой отражения к толщине пленки и длине химической связи на границе раздела.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. A.Yu. Kazimirov, M.V. Kovalchuk, A.Ya. Kreines, S.N. Mazurenko, Yu.N. Shilin. Instrumentation for high-precidion x-ray optics at the synchrotron radiation source "Zelenograd". Rev. Sei. lustrum. 1992. V. 63. N. 1. P. 10271030.

2. J.C Alvarez, K. Hirano, A.Yu. Kazimirov, M.V. ICovalchuk, A.Ya. Kreines, N.S. Sokolov, N.L. Yakovlev. Characterization of thin epitaxial CaF2 layers on Si(l 11) using impurity luminescence probes, X-ray standing waves and X-ray diffractometry. Semicond. Sei. Technol. 1992. V. 5. P. 1431-1436.

3. M.V. Kovalchuk, A.Ya. Kreines, N.L. Yakovlev, N.S. Sokolov, G. Cappuccio. Analysis of epitaxial layers on Si(lll) using impurity luminescent probes, X-ray standing waves and X-ray diffractometry. Proc. 4th International Conf. on the formation of semiconductor interfaces. 1993. Julich. P. 405-408.

4. A. Kazimirov, M. Kovalchuk, A. Kreines, L. Samoilova, R. Cernik, D. Laundy. The phaseSensitive multi-beam diffractometry: XSW analysis without registration of secondary process. Daresbury Annual report, 1993/1994, p. 177.

5. M. Kovalchuk, L. Samoilova, A. Kreines, A. Kazimirov. Multiple X-ray diifraction and standing waves - new possibilities for surface investigations. Proc. of the 4th SXNS Conference. Argonne. 1995. P. 96.

6. L.V. Samoilova, M.V. Kovalchuk, A.Ya. Kreines, A.Yu.Kazimirov, X-ray standing wave fields close to Bragg-Bragg multiple diffraction region, Proc. 3rd 'European Symposium X-Top'96, Palermo, 1996.

7. M. Kovalchuk, A. Kazimirov, V. Kohn, A.Rreines, L. Samoilova. Phasesensitive multiple-diffraction studies of single crystals. Physica B. 1996. V. 221. P. 445-449.

8. M.V. Kovalchuk, A.Ya. Kreines, Yu.N. Shilin, V.A. Shishkov, and A.Yu. Kazimirov. The multicrystal modular spectrometer for x-ray diffraction studies using SR Rev. Sci. Instrum..l996. V. 67. N. 9. P. 3364.

9. M. Kovalchuk, A. Kreines, L. Samoilova, R. Cernik, D. Laundy. Dynamical effects in multiple diffraction of synchrotron radiation by real crystals and heterostructures. Synchrotron Radiation Department, Daresbury Laboratory. Scientific Reports. Daresbury. 1995/1996. V. 2 P. 753-754..

10. M.V. Kovalchuk, A.Ya. Kreines, L.V. Samoilova, A.M. Melnikov. On the off-Bragg enhancement of the reflectivity in dynamical multiple diffraction by a Ino.5Gao.}P/GaAs(l 11) heterostructure. Journal of Synchrotron Radiation. 1997. V.4. P. 180-184.

11. M.B. Ковальчук, А.Я. Крейнес, Ю.А. Осипьян, В.А. Соменков, В.В. Квардаков. Наблюдение стоячих рентгеновских волн при брэгговской дифракции на кристалле ВТСП NdmCewsCuO« Письма в ЖЭТФ. 1997. Т. 65. Вып. 9. С. 703-706.

12. М. Kovalchuk, A. Kreines, V. Lavrov, S. Molodtsov, Th. Gantz. Soft X-ray standing waves at normal incidence in studies of La monolayer on Si(l 11). BESSY Jahresbericht. 1996. Berlin. P. 403-404.