Рентенодифракционные исследования процессов дефектосоздания в приповерхностных слоях монокристаллов при действии внешних сил тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

& ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. ІО.ФЕДЬКОВИЧА

ЄВДОКИМЕНКО АНДРІЙ ВАЛЕРІЙОВИЧ

УДК 539.261

РЕНТГЕНОДИФРАКЦИЙНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ДЕФЕКТОУТВОРЕННЯ В ПРИПОВЕРХНЕВИХ ШАРАХ МОНОКРИСТАЛІВ ПРИ ДІЇ ЗОВНІШНІХ СИЛ

01.04.07 - фізика твердого тіла

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математнчннх наук

Чернівці -1998

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі фізики твердого тіла Чернівецького державного університету ім. Ю.Федьковича.

Науковий керівник: доктор фізико - математичних наук, професор Фодчук Ігор Михайлович, Чернівецький державний університет, професор кафедри фізики твердого тіла

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України, доктор фізико - математичних наук, професор Молодкін Вадим Борисович, заступник директора Інституту металофізики НАН України, м.Київ

доктор фізико - математичних наук, професор Раренко Іларій Михайлович, Чернівецький державний університет, професор, завідувач^кафедри мікроелекіроніки

Провідна організація: Інститут фізики напівпровідників НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться «ЗО» жовтня 1998 р. о 15-ій годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д76.051.01 при Чернівецькому державному університеті ім. Ю. Федьковича за адресою: 274012, м.Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Чернівецького державного університету (вул. Л.Українки, 23).

Автореферат розісланий «ЗО» вересня 1998р."

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради ^ _____ М.В. Курганецький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми досліджень.

На даний час високоефективні напівпровідникові прилади твердотільної мікроелектроніки виготовляються шляхом легування тонких приповерхневих шарів монокристалів з допомогою термічної дифузії або іонної імплантації. При імплантації виникає велика кількість дефектів, крім того, імплантовані іони займають в основному міжвузольні положення, тоді як електрично активними вони є у вузлових положеннях. Відповідним чином контролюючи технологічні процеси, можна підібрати найбільш оптимальні умови іонної імплантації і термічного відпалу, при яких структурні зміни найкраще визначатимуть електричні властивості.

Однією із важливих ознак сучасного розвитку напівпровідникових технологій є підвищення точності як виготовлення елементів «традиційних» інтегральних схем, так і мікроструктур, на основі яких будуються прилади функціональної мікроелектроніки. На даний час рідинно-хімічне травлення уже не володіє необхідною роздільного здатністю, тому в більшості випадків здійснюється плазмо-хімічне, іонно-хімічне та іонне травленням.

Вищеназвані обставини обумовлюють використання рентгенівських методів для структурної діагностики стан}' поверхні матеріалів. Кількість рентгенодифракційних методів, що використовуються на даний час в якості діагностичних методів структурної досконалості матеріалів мікро- і оптоелектроніки, більше декількох десятків. Такі методи є неруйнівними, неконтактними, експресними, володіють високою чутливістю до різного типу спотворень атомних площин. Для уникнення неоднозначної інтерпретації даних з дифрактометричних вимірювань, пов’язаної з нелінійністю обернених задач, обмеженністю фазової інформації, дослідження необхідно проводити з використанням цілого комплексу взаємодоповнюючих рентгенівських методів. Вдосконалені комплексні методи аналітичного і чисельного моделювання процесів динамічного розсіяння рентгенівських променів в реальних кристалах дають унікальну інформацію про ротаційні й дилатаційні деформації кристалічної гратки, про розподіл електронної густини по товщині від декількох моношарів до десятків міліметрів.

Якщо загальні риси профілю деформації в приповерхневих шарах відомі і необхідно визначити лише зміни окремих деталей, то, з точки зору неруйнівного пошарового аналізу структурних змін у приповерхневих шарах і на границях розділу, найбільш доцільно використовувати так звану косонесиметричну схем)' дифракції на відбивання. При її використанні стає можливим пошарове одержання якісної і кількісної інформації про

структурні зміни в досить тонких приповерхневих шарах (з кроком -О.ОІмкм і менше). Саме такий підхід і використовується в даній роботі для дослідження і контролю структурних змін, які відбуваються під час імплантації іонів фосфору в кремній та іонного травлення структур Ссі]_хІ^хТе в різних атмосферах оточуючого середовища.

У зв’язку з цим, рентгенодифракційні дослідження структурних змін в приповерхневих шарах кристалів є актуальними, оскільки отримані результати будуть використані при розробці елементів сонячної енергетики, а також при розробці заданих конфігурацій мікрослектронних приладів в шарах робочих матеріалів в процесі іонного травлення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, иланами, темами.

Робота виконувалась у межах координаційної програми Міністерства освіти України “Рентгенодифракційні дослідження структури і границь розділу напівпровідникових кристалів”.

Метою роботи є дослідження рентгенодифракційних ефектів в області кутів повного зовнішнього відбивання, експериментальне і теоретичне виявлення процесів дефектоутворення в приповерхневих шарах кремнію після імплантації іонів фосфору та іонного травлення епітаксійних структур Сс1і_хЩхТе / СсІТе в різних умовах оточуючого середовища.

Завдання, які вирішувались в даній роботі:

1. Розробка спеціальної приставки для реалізації схеми двокристаль-ного спектрометру в косонесимєтричній схемі дифракції та проведення рентгенотопографічних і дифрактометричних досліджень в області кутів повного зовнішнього відбивання рентгенівських променів.

2. Дослідження розподілу деформацій в приповерхневих шарах кремнію при імплантації іонів фосфору.

3. Виявлення структурних змін в імплантованих фосфором шарах кремнію після відпалу.

4. Комп’ютерні моделювання профілів розподілу деформацій в приповерхневих шарах.

5. Дослідження селективної і поліруючої дії травлення іонами ртуті структур Сс1і_хІ-^хТе/СсІТе та кристалу СсІТе в різних атмосферах оточуючого середовища.

Методи дослідження: одно- і двокристальна рентгенівська

дифрактометрія і топографія в косонесиметричній схемі дифракції на відбивання, метод інтегральної інтенсивності, а також чисельні методи з розробкою алгоритмів і програмного забезпечення розв'язку системи рівнянь в частинних похідних із змінними коефіцієнтами.

Наукова новизна роботи.

1. Вперше проведені комплексні рентгенодифракційні дослідження структурних змін в приповерхневих шарах кристалу кремнію при імплантації іонів фосфору з енергією 180 КеВ і дозою порадка 10і 5 іон/см2. Визначено границі аморфізації, значення максимальних деформацій і протяжність області пружних деформацій. Оцінено можливі розміри і концентрації дислокаційних петель до і після відпалу.

2. На основі розробленої методики побудовано експериментальні і теоретичні профілі розподілу напруг в імплантованих фосфором приповерхневих шарах кремнію.

З Вперше в схемі косонесиметричної дифракції досліджено поліруючу дію травлення іонами ртуті структур Сс1і_хЩхТе/ СсіТе в атмосфері аргонної плазми і селективну - в умовах тліючого високочастотного ртутного розряду.

4. Розроблена і апробована оригінальна приставка до стандартних рентгенівських установок для проведення топографічних досліджень та реалізації двокристального спектрометру в схемі косонесиметричної геометрії дифракції в області кутів повного зовнішнього відбивання.

Практичне значення роботи. Розроблені приставка та методика побудови розподілу деформацій в приповерхневих шарах кристалів в косонесиметричні схемі дифракції значно підвищують інформативність і ефективність рентгенівських топографічних і дифрактометричних методів. Отримані за їх допомогою результати суттєво розширюють фізичні уявлення про процеси дефектоутворення в імплантованих іонами фосфору кристалах кремнію і можуть бути використані при розробці елементів сонячної енергетики.

На захист виноситься

1. Результати досліджень структурних змін в процесі імплантації іонів фосфору в кремній та температурного відпалу.

2. Теоретичні і експериментальні розподіли деформацій в імплантованих іонами фосфору приповерхневих шарах кремнію.

3. Рентгенодифрактометричні та топографічні результати досліджень процесів іонного травлення структур Ссіі_.х^ хТе / СсіТс іонами ртуті в різних атмосферах оточуючого середовища. Товщинні профілі розподілу деформацій в приповерхневих шарах даних структур.

Публікації і особистий внесок дисертанта. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 12 наукових робіт, перелік яких наведено в кінці автореферату.

Дослідження, представлені в дисертації, є результатом самостійної роботи автора. В роботах [1-9], [12], автор виконував експериментальні дослідження, а в роботах [7, 11] провів теоретичні і числові розрахунки деформаційних профілів. Дисертант брав участь у постановці задач і обговоренні результатів усіх опублікованих робіт.

Апробація роботи. Результати досліджень, що лягли в основу дисертації, доповідались і обговорювались на таких конференціях і нарадах: Міжнародна школа-конференція по фізичним проблемам матеріалознавства напівпровідників (Чернівці, 1995, 1997); Міжнародна конференція “Рентгенівська топографія і високороздільна дифрактометрія” (Італія, Палермо, 1996); Українсько-Польський симпозіум “Нові матеріали для сонячної енергетики” (Польща, Краків, 1996); IV Міжнародна конференція “Фізика і технологія тонких плівок” (Івано-Франківськ, 1997); Міжнародна конференція “Рентгенівська топографія - 98” (Англія, Дургам, 1998).

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, всновків, списку літератури з 132 джерел. Виклад зроблено на 146 сторінках друкованого тексту, що містять 39 рисунків і 8 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

У вступі обгрунтовується актуальність вибраної теми досліджень, сформульовані мета і основні задачі роботи, її наукова новизна, практична значимість одержаних результатів, представлені основні положення, які виносяться на захист, а також відомості про апробацію.

В першому розділі, що є оглядом літератури по темі дисертації, викладені основні положення динамічної теорії розсіяння рентгенівських променів в реальних кристалах. Проводиться детальний аналіз публікацій, які присвячені теоретичному і експериментальному дослідженню особливостей розсіяння рентгенівських променів в реальних кристалах в ковзаючій геометрії дифракції, пошуку' нових методів рішення обернених задач рентгенівської дифракгометрії.

В другому розділі приведені методики реалізації експериментальних досліджень інтегральної інтенсивності в косонесиметричній схемі дифракції на відбивання. Представлена і описана приставка, яка призначена для проведення рентгенотопографічних і рентгенодифрактометричних досліджень структурної досконалості приповерхневих шарів монокристалів в широкому діапазоні товщин (0.01

100 мкм), визначення періоду гратки та глибини порушеного шару, а також для досліджень явищ дво- і багатохвильової взаємодії в області кутів повного зовнішнього відбивання. Приставка дозволяє здійснювати

установку кристалу у відбиваюче положення в межахдовільних кутів дифракції, а також дозволяє здійснювати брегівське, азимутальне і полярне сканування області дво- і багатохвильової взаємодії рентгенівських променів в ручному або автоматичному режимі.

Відзначається, що косонесиметрична схема дифракції в ковзаючій геометрії на відбивання відкриває нові можливості рентгенотопографічного селективного пошарового дослідження структури приповерхневих шарів. На відміну від традиційних,в даній схемі вектор нормалі до вхідної поверхні не лежить в площині розсіяння і реалізується плавний перехід від дифракції Лауе до дифракції Брега азимутальним скануванням через область кутів повного зовнішнього відбивання 9кр. Реалізація випадків

ковзаючого падіння рентгенівських променів на поверхню кристалу здійснюється шляхом поступового переходу від дифракції Лауе до дифракції Брега при використанні асиметричних кристалографічних відбивань від площин, кут розорієнтації яких з вхідною поверхнею кристалу незначно більший брегівського кута (4/ > Од).

По аналогії з випадком багатохвильової дифракції, кути падіння уц і відбивання у], рентгенівського випромінювання визначаються, як функції кута азимутального сканування ер. Прн цьому відлік кута ер проводиться від можливого випадку асиметричної дифракції, тобто коли всі хвильові вектори коДи» п і Ь площин лежать в площині розсіяння. Таким чином

Кут падіння пучка на вхідну поверхню кристалу у о і кут виходу у ь визначаються, як функції кутів 0, у, ер і представляються так:

При у о <0 реалізується випадок дифракції Лауе (на проходження), а

при уо > 0 - випадок дифракції Брега. При цьому, в області кутів падіння

0 > у о —> 0 матиме місце ще і ефект повного внутрішнього відбивання, а в

області кутів 0 < у о < укр реалізуються одночасно дифракція Брега і ефект

повного зовнішнього відбивання рентгенівських променів. Граничний кут азимутального сканування сро ^, при якому відбувається перехід від

дифракції Лауе до дифракції Брега, визначається із умови у о -» 0 :

(1)

70 = — СОв 0 СОБ фБІП V]/ + віл 9 соэ ц/ = — СОЭ 0 СОЭ фБІП \|/ — БІГ! 0 СОБ \|/

(2)

С03Ф0 ь = ±18°вс184' • (3)

Співвідношення (3) розділяє відзначені області дифракції: при сояф£ - дифракція Брега; якщо соБфСІ^веІдч/, то

реалізується випадок дифракції Лауе.

В третьому розділі об’єктами досліджень є гетероструктури Ссіі_хЬ^хТе/СсІТе та монокристали СсіТе, поверхня яких піддавалась травленню іонами Н§ в різних умовах оточуючого середовища. Вирощування структур та іонне травлення проводилось в інституті прикладної фізики при Львівському держуніверситеті ім. І. Франка.

Для дослідження структурних змін використано комплекс рентгенівських топографічних і дифрактометричних методів: одно- та двокристальний спектрометр з установкою досліджуваного кристалу в косонесиметричній схемі дифракції, однокристальний метод інтегральної інтенсивності. Орієнтація вхідної поверхні - (111), відбиваючі площин - (511). Використовувалось СиКа випромінювання.

Зазначимо, що особливий інтерес мають ті області зміни кута ф , для

яких кут входу Уо~6кр і де екстинкційна довжина А =т—г ^/уо|уь| приймає

мінімальні значення. В даних областях відбувається розширення хвильового фронту дифрагованої хвилі в порівнянні з фронтом падаючої на величину Ь=|уі1|До . Це дозволяє отримувати рентгенівські топограми від

тонких приповерхневих шарів монокристалу від усієї поверхні без сканування. Як уже відзначалось, серед можливих відбивань перевагу слід надавати тим, для яких різниця між значеннями кутів 0 і і|/ незначна. В нашому випадку цу-б^ЗО’. Для уо—>0 перехідна область Лауе-Брег-дифракції закінчується при куті азимутального сканування Фо,ь=-1§0сІ§\|/=13°ЗО’. Область зміни кута азимутального сканування ф, для якого О<уо«0кр, складає декілька градусів.

На рис. 1 представлені топограми структур Сс1і_хЩхТс/СсіТе після іонного травлення при різних кутах азимутального сканування ф. Поверхня структур поділена на три частини. Травлення іонами ртуті різних енергій проводилось в аргонній плазмі. В першій області напруга прискорення іонів - Е=400 В, в другій - Е= 800 В, в третій - Е=1500 В.

Із значень напівширин кривих гойдання при зміні кута ф побудовано розподіл деформацій в приповерхневих шарах кристалу.

Дані результати якісно і кількісно підтверджують, що найбільш

пошкодженою є та область, в якій енергія прискорених іонів найбільша. В цілому, іонне травлення в аргонній плазмі виконує поліруючу дію, при цьому відбуваються досить значні радіаційні пошкодження поверхні. На топограмах спостерігається вигин, розмиття і зсув рефлексів на границях опромінених областей.

Деформаційні профілі на рис.2 носять експоненційний характер. Різниця у величині деформацій спостерігається уже при Л~1 мкм. При Л~0.3 мкм деформація поверхневого шару складає є~10'3 в III—ій і с~5-1(Г4 в 1-ій областях. Морфологія поверхні в опромінених областях в цілому не змінилась - поверхня має вид “апельсинової шкірки”.

Для виявлення ходуг структурних змін після іонного травлення використовувався метод інтегральної інтенсивності - визначення відбиваючої здатності кристалу в геометрії дифракції Брега.

Отримані значення інтегральних характеристик підтверджують вище приведені оцінки.

Результати рентгенівських досліджень структури СсІ|_хН§ хТе / СсІТе після травлення іонами ртуті у високочастотному тліючому ртутному розряді представлені на рис.З і 4. В першій області при прискорюючій напрузі іонів - Е=600 В, ІІ-й - 2400 В; ІІІ-й 1200 В. Дана структура є другою половиною зразка №1.

З аналізу топограм та товщинного розподілу' деформацій є(Л) (рис.4) слідує, що проведенеіонне травлення значно сильніше пошкоджує поверхню. В області II, де енергія іонів ртуті найбільша, різко виражений селективний характер травлення. Це спостерігається у появі “висотних” включень другої фази, що значно підносяться над витравленою матрицею. Особливо добре це помітно при малих значеннях кута ер (рис.Зг). Діапазон висот витравлених стовпчиків охоплює границі від 0.1 до 12 мкм.

Починаючи з товщин Л~ 1.1 мкм помітно збільшуються величини деформацій в областях І та II. При цьому, при Л=1.І мкм, відношення між величинами деформацій наступні: г-і : вд : єщ =1: 2.3: 1.5, а при

Л=0.37 мкм -1:4: 1.8. Тобто величини деформацій співвідносяться як відповідні значення прискорюючих напруг іонів в даних областях. В області II, починаючи з товщин Л<0.4 мкм, повністю відсутнє дифраговане випромінювання. Це свідчить про повне розупорядкування структури в даній області товщин. Оцінки показують, що така аморфізація шару відбулась на глибину ~0,2 мкм. Наявність значних пружних полів деформацій на товщинах Л > 1 мкм можна пояснити тим, що бомбардування іонами ртуті стимулює розвиток глибокої міграції

/

h Й§§1||| 4 J^

Рис.1. Кристал №1. Гетероструктура Cdi_xHgxTe/CdTe №1, (варізоиний шар, х= 0.19). х 4. а) ер = 25°, Л= 072 мкм; б) ф = 17° , А- 0.37 мкм.

Є.

10?

Рис.2. Гетероструктура№1. Відбивання (511) СиКа. Розподіли є(Л).

френкелівських пар і взаємодії їх з присутніми структурними порушеннями. Не зважаючи на тс, що дані структури є одними із найбільш досконалих, отриманих методом конденсації в ртутному високочастотному розряді, густина дислокацій у вихідних зразків є на рівні 103^-10'1 см'1. Тому при перевищенні певних порогових значень прискорюючої напруги іони, втілюючись в гратку, вносять значні радіаційні пошкодження поверхні на значні глибини. Інша можливість таких структурних змін -перетворення дефектів під дією пружних хвиль, які виникають при гальмуванні іонів. В цілому подібна картина спостерігається і для 1-й області, проте при значно менших товщинах ~0.2 мкм.

Порівняння даного типу травлення з іонним травленням в аргонній плазмі вказує на значно плавніший приріст деформацій із збільшенням енергії іонів.

Іонне травлення кристалів СсІТе в ртутному розряді при енергіях іонів Щ Е=900В; Е=2100В; Е=1320В також вносить значні напруги в приповерхневі шари (рис.5). Це проявляється у вигляді складного дрібнодисперсного рельєфу на поверхні кристалу. Як і в попередніх випадках, для різних енергій іонів по різному відбувається пошкодження приповерхневих шарів Найбільші пошкодження спостерігаються при енергії іонів Е=2100В. Про свідчить поява характерних кратероподібних областей, розміри і густина яких наростає із збільшенням енергії іонів ртуті. Як і в попередніх випадках, поступове зменшення кута азимутального сканування ер приводить до розмиття і поглинання рефлексів Кді і Ка2. Сильне розупорядкування структури в приповерхневих шарах починається з товщин 0.5^0.7 мкм, а поява аморфної фази - від поверхні до

0.2 мкм. Тут область пружних деформацій, як і в попередніх випадках, простягається до 1.2 мкм. Відзначимо, що спостерігається відповідність співвідношень між деформаціями і значеннями прискорюючих напруг при Л=0.5 мкм, тобто для деформацій - 1: 2.1: 1.45, для напруг - 1: 2.3: 1.47. Характер динаміки деформацій аналогічний ж і при іонному травленні структур СсІо.8і^о 19ТЄ в аргонній плазмі.

Розроблена методика досліджень дозволяє проводити аналіз не тільки ступеню розупорядкування, величин деформацій і їх протяжності, але й основних закономірностей формування дифракційного контрасту дефектів у випадку дифракції Брсга поблизу області кута повного зовнішнього відбивання. Аналіз топографічних картин дає можливість виділити такі механізми формування дифракційного контрасту - орієнтаційний, адсорбційний і дифракційний. Якщо перший механізм обумовлений зміною нахилу мікроділянок поверхні кристалу, то адсорбційний контраст -екрануванням виступами дифрагованого рентгенівського вгатромінення.

в) г)

Рис. 3. Кристал №1. Гетероструктура Cdi_xHgxTe/CdTc № 2. а) Л= 1.4 мкм; б) Л= 1.12мкм;

в) Л= 0.73 мкм; г) Л= 0.54 мкм.

Рис.4. Гетероструктура №2. Розподіли в(Л).

>; -\.Ч‘

'-'іЗв

^вг:

Рис.5. Зразок №3. СсІТе. Вхідна поверхня (111). Відбивання (511). х4 : а) Л= 0.92 мкм; б) Л= 0.54 мкм.

Дифракційний контраст виникає в наслідок наявності деформацій розтягу або стиску в області локалізації дефекту. Наявність такого контрасту виявляється у вигляді характерного чорно-білого зображення мікродефектів.

В четвертому розділі дисертації об’єктом досліджень є монокристали кремнію після іонної імплантації фосфором. Енергія опромінення -180 КеВ, доза - 8-Ю14 іон/см2. Опромінення проведено на НВО “КВАРЦ” з використанням установки “Везувій”. Всі зразки після фінішної хіміко-механічної обробки мали вигляд плоскопаралельних пластин з орієнтацією робочої поверхні {100} (р-2-2.5 Ом/см, с!=250 мкм). Максимальна кутова розорієнтація між вхідною і кристалографічною (100) площинами в напрямку базового зрізу [110] не перевищувала 50 куг.хв. Для даних пластин характерна наявність складної форми згину атомних площин із значеннями радіуса на окремих ділянках від 200 до 800 м.

Для практичного застосування іонної імплантації дуже важливо мати достатньо точну інформацію про типи дефектів і ступінь аморфізації в кристалі безпосередньо після іонного проникнення при кімнатній температурі, а також після відпалу. Тому, для виявлення напруг, що виникають в об’ємі і в приповерхневих шарах кремнію після імплантації і наступного відпалу, були використані різні рентгенівські дифракційні методи. Отримані результати демонструють структурні зміни в приповерхневих шарах опромінених кристалів з утворенням активної гетерограниці, яка вносить значні напруги в приповерхневі шари кристалу.

Пояснюється це тим, що іонна імплантація супроводжується утворенням різного типу термодинамічно нерівноважних структурних недосконалостей в приповерхневих шарах. При даній енергії та дозі іонів зростає ймовірність утворення дефектів в наступній послідовності: атоми в міжвузлях, вакансії, пари Френкеля, комплекси та скупчення вакансій і міжвузольних атомів, дислокаційні петлі, розупорядковані області, аморфізовані шари. Якісні топографічні результати (рис.6) доповнюють кількісні, одержані із залежностей напівширин кривих гойдання. Порівняння даних залежностей від неопроміненої і опроміненої половин пластини дає наступну картин)': починаючи з А=1 мкм в опроміненій половині поступово збільшується напівширина кривої гойдання (в середньому на 15-20%), а при Л~0.5 мкм дифракційне відбивання подавлюється повністю.

На “хвостах” кривих гойдання з’являється значне дифузне розсіяння. В цілому зростає інтегральна відбиваюча здатність кристалу. Величина пікової інтенсивності відбивання в точному положенні дифракції зменшується в середньому на 10-15% . Така поведінка названих параметрів структурної досконалості свідчить про виникнення в поверхневих шарах як локальних, так і протяжних полів деформацій, що є наслідком пошкодження приповерхневих шарів в процесі іонної імплантації.

Для кількісного аналізу кривих гойдання використано метод, який базується на Фур’є-аналізі. Це дозволило обчислити ефективну товщину порушеного шару Ьсф, величини середньої деформації кристалічної гратки її = (Дсі / сі) і середньоквадратичної деформації. При імплантаційному формуванні і іонів схованих під поверхнею аморфних шарів ефективна глибина локалізації значних пошкоджень знаходиться в границях від 0.5 до

0.6 мкм. Це майже в два рази перевищує довжину вільного пробігу іонів фосфору при таких енергіях і дозах. Область пружних деформацій простягається на глибин)' до 1.1+1.5 мкм. Максимальна величина деформації деформованого шару становить ~3.6-10‘3. Радіаційні дефекти в перехідній кристалічній області, що лежить під аморфізованим шаром, обумовлюють появу в ній позитивних деформацій гратки з величиною є ~3+5-10"4 . Товщіша аморфізо-ваного шару становить -0.3 мкм, а товщина перехідного шару між аморфною областю і кристалом -0.2+0.4 мкм. Величина фактора Дебая-Валера Ь для відбивань (400) і (800) МоКа змінюється в межах від 5.4-10 * до 1.М0 і, параметр дифузних втрат ца -від 2.8 до 5.7. Це еквівалентно наявності кластерних утворень розмірами Я=10 б см при концентрації дислокаційних петель Сь~Ю12 * 1013см~2.

Після іонного бомбардування поверхневі шари кристалу знаходяться в структурно метастабільному стані. Необхідність переведення домішки в

більш стійкий стан вимагає проведення постімплантаційного відпалу.

Проведені також комплексні рештенодифракційні дослідження впливу тривалості температурного відпалу при Т=500°С на структурні зміни поверхневих шарів кремнію, імплантованих іонами фосфору.

Із аналізу отриманих досліджень слідує, що вплив часу відпалу на границі розділу поверхня - імплантований шар - матриця є суттєвим. Структурна релаксація в схованому під поверхнею шарі приводить до мезоскопічної неоднорідності розподілу напруг, і як наслідок, до локального збільшення внутрішніх напруг. При цьому спостерігається істотна відмінність у розподілі напруг нормально і паралельно гетерограниці.

Для утворених структур характерною є наявність значних напруг в напрямку, перпендикулярному границі розділу, величина яких міняється від є~3.1 10 3 при часі відпалу 1=6 хв до є~6 10"3 при 1=30 хв. Значення фактора Дебая-Валера Ь зростає від 1.67-10'2 до 4.6-10'2 для відбивання (400) МоКа. Оцінено розміри і концентрацію дислокаційних петель. Отримано наступні значення: при 1=6 хв - Сь= 1.5-10і 1 см'2, 11=20 нм і при 1=30 хв - Сь=1.5-Ю10см'2, 11=50 нм. Результати вказують на тенденцію підвищення розміру петель і зменшення їх густіти із зростанням часу відпалу. Зазначимо, що при І1=10'4 см С[=103+104 см'2.

Відзначимо значний вплив пружних деформацій на формування кривих гойдання і просторових розподілів інтенсивності, який можна пояснити припущенням, що процес перебудови дефектів не атомарний, а колективний, тобто одночасно в акті перебудови бере участь достатньо велике число елементарних дефектів і атомів кристалу. Завдяки цьому даний процес структурної перебудови простягається на значні відстані від границі розділу ~ на 1.3+1.5 мкм. Дійсно, якщо тривалість процесу відпалу кластера менша, ніж час, на протязі якого встигає відбутись деформаційний відгук кристалу на перебудову кожного дефекта в середині кластера, то це може стимулювати розпад мілких кластерів з наступною коагуляцією точкових дефектів в більш крупні кластери.

Статичні пружні напруги можуть суттєвим чином впливати на швидкість процесу структурної перебудови дефектів в кремнії. їх роль проявляється в процесі формування залишкової дефектності імплантованого шару під час опромінення в місцях просторової неоднорідності механічних напруг в кристалі. Саме в цих областях на топограмах спостерігається найбільше спотворення і розмиття дифракційних рефлексів, зростання напівширини кривої гойдання, трансформація форми просторових розподілів інтенсивності і значний приріст дифузного фону.

а) б) в)

г) д) е) ж)

Рис.б. Рентгенівські топограми: а) - в) еталонна пластина

г) - е) опромінена повністю і ж) опромінена наполовину Відбивання: а) і г) (004), (331) СиКа;

(331) СоКа : б) Л= 0.54 мкм; в) Л= 0.24 мкм; е) Л= 0.5 мкм; ж) Л= 0.6 мкм. хІО.

На основі розробленої методики в рамках кінематичної теорії розсіяння рентгенівських променів проведено комп’ютерні моделювання розподілу деформацій, які виникають при іонній імплантації. По заданому розподілу деформацій (рис. 7) розрахована крива гойдання рентгенівських променів, яка порівнюється з експериментальною кривою гойдання. Шляхом функціонального задання профілю деформацій і порушень та оптимізації їх параметрів проводиться комп’ютерне моделювання експериментальних і теоретичних кривих гойдання до отримання задовільного їх співпадання .

Розподіл пружних деформацій Дсі(г) / сі і порушень \У(7.) задається у вигляді

Дсі(г)

(і

*2 •ехр

*5

*2 • ехр

х7' ехр

х10 г

Х7- ехр

г - хі

І 2хз

2x4

т.-х\ { 2х4

при

Леї

• > Х5,і г < X]

2*3

Дсі . при — < х 5 і г < х і (1

при і > х і при 2 > Х)0

при V/ < Х]о і г < Хб

ПрИ 7. > Х(5

(4)

(5)

Всі параметри на рис. 6, за виключенням х2, х5, х7, х10, задані через екстинкційну довжину А. Відзначимо, що у косонесиметричному випадку дифракції, на відміну від звичайного, екстинкційна довжина може змінюватись плавно більше, ніж на два порядки, тобто, може значно вищувати, або бути співрозмірною з ефективною довжиною зміни деформацій в приповерхневих шарах.

Оптимізація параметрів профілів виду (4) і (5) здійснюється методом найменших квадратів з мінімізацією функції

і2

р(х1,х2........£Рк

і~1

*ехр

(ДОк)-і(хі;....лю,АЄк)

(б)

І ехр (АЙ к )

яка є критерієм співпадання в точках к розрахованих І(хі, ..,хю, А8) і експериментальних Іекс(А9) кривих гойдання; рк - вагова функція; Д0к=Ок-ОБ.

а)

б)

Рис.7, а) Профілі розподілу деформацій, які описуються

співвідношенням (5). X] -хю - параметри оптимізації. 6) Профілі деформацій - пунктирна лінія, порушень -суцільна крива.

На першому етапі оптимізації для кожного тонкого шару, на які розбивається весь профіль деформацій, визначаються значення (Дсі / сі^ і

Далі отримані значення змінюються в околі вихідних величин до

отримання оптимального співпадання експериментальних і теоретичних кривих гойдання.

Відзначимо, що функціональне задання профілів на першому етапі значно підвищує точність відтворення реальних розподілів деформацій і відхилень атомних площин в приповерхневих шарах.

Експериментальні криві гойдання отримувались на двокристальному спектрометрі в косонесиметричній схемі дифракції з використанням (331) СоКа-випромінювання. В цілому, відтворений профіль деформацій і порушень в Бі, імплантованому Р+, не є симетричним .

Спостерігається задовільне співпадання теоретичних і експериментальних кривих гойдання - максимальна розбіжність не більше 10%.

Таким чином, запропонована методика моделювання дозволяє з кривих гойдання побудувати товщинні розподіли деформацій і порушень в тонких приповерхневих шарах кристалу.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ РОБОТИ.

1. Розроблена оригінальна приставка для проведення рентгено-топографічних і дифрактометричних досліджень структурної досконалості приповерхневих шарів монокристалів, визначення періоду гратки та глибини порушеного шару, досліджень явищ двох- і багатохвильової взаємодії в області кутів повного зовнішнього відбивання.

2. Високочастотне травлення в тліючому ртутному розряді приводить до селективного травлення поверхні. Це спостерігається у появі “висотних” включень другої фази, які значно підносяться над витравленою матрицею. Висота витравлених стовпчиків знаходиться в межах від 0.1 до 12 мкм. При Л=0.72 мкм величини деформацій співвідносяться як відповідні значення прискорючих напруг іонів. При Е=2400В, починаючи з Л<0.4 мкм, повністю відсутнє дифраговане випромінювання, що свідчить про повне розупорядкування структури.

3. Травлення іонами ртуті структур Cdo.8iHgo.19Te/CdTe в аргонній плазмі носить поліруючий характер. Різниця у величині деформацій поверхневих шарів в опромінених областях стає помітною з товщин ~0.5 мкм. При Л-0.3 мкм деформація поверхневого шару складає с~10'3 при Е=1500 В і є~5-10'4 при Е=400 В.

4. При імплантаційному формуванні схованих під поверхнею аморфних шарів в кремнії ефективна глибина локалізації значних

пошкоджень знаходиться в границях від 0.5 до 0.6 мкм. Область пружних деформацій простягається на глибину до 1.1+1.5 мкм. Максимальна величина деформації деформованого шару е~3.6-10'3. Товщина аморфізованого шару -0.3 мкм, а перехідного шару між аморфною областю і кристалом -0.2 +0.4 мкм.

5. У випадку короткочасного відпалу структурна релаксація в схованому під поверхнею шарі приводить до мезоскопічної неоднорідності розподілу напруг в перехідних шарах, і як наслідок, до локального збільшення внутрішніх напруг. При цьому спостерігається істотна відмінність розподілу напруг нормально і паралельно гетерограниці.

6. Для імплантованих структур характерною ознакою є наявність значних напруг в напрямку, перпендикулярному границі розділу, величина яких змінюється від є-3.1 10 2 при часі відпалу t=6 хв до є~6 10"3 при t=30 хв. Значення фактора Дебая-Валера L зростає від 1.67х10"2 до 4.6 х 10 2 для відбивання (400) МоК,*. Спостерігається тенденція збільшення розмірів дислокаційних петель та зменшення їх густини зі зростанням часу відпалу.

7. Вплив статичних напруг, що виникають в процесі імплантації, проявляється в спотворенні і розмитті дифракційних рефлексів на топограмах, збільшені величини напівширин кривих гойдання, зміні форми просторових розподілів інтенсивностей та значному прирості дифузного фону.

8. Проведені теоретичні моделювання розподілу напруг в приповерхневих шарах кристалу. Використано косонесиметричну схему дифракції на відбивання. З серії кривих гойдання від різних за товщиною шарів побудуваний розподіл деформацій в тонких приповерхневих шарах опроміненого кристалу. Теоретичні профілі деформацій задовільно узгоджуються з експериментальними.

Основні результати дисертаційної роботи викладені п наступних наукових працях.

1. Фодчук И.М., Раранский А.М., Евдокименко А.В. Новые возможности рентгенодифракционных методов при исследовании структурного совершенства кристаллических соединений А3В5 и А2Вб // Неорганические материалы.-1995.-т.31, №10.-С. 1669-1672.

2. Fodchuk I.M., Raransky A.M., Evdokimenko A.V. Asymmetric Scew Topography and Diffractometry of Submicron Layers // Poverkhnost.-1995.-v.l 1, N3,- P.125-132,

3. Fodchuk I.М., Raransky A.M., Evdokimenko A.V. X-Ray Diffraction

Optics of the Submicron Surface Layers // Proc. SPIE.- Bellingham.- 1995,-

v.2647.-P. 145.

4. Раранський A.M., Євдокименко А.В. Дослідження тонких приповерхневих шарів монокристалів з допомогою косонесиметричної дифракції на відбивання // Матеріали наукової конференції викладачів, співробітників та студентів, присвяченої 120-річчю заснування Чернівецького університету 4-6 травня 1995.-Чернівці, 1995.-Т.2.-С43.

5. Fodchuk І.М., Raransky A.M., Evdokimenko A.V. Submicron Layers Scew Asymmetric Topography and Diffractometry // Abstr. International School-Conference on PPMSS, Chernivtsi, 11-16 September 95,- Chernivtsi, P.92.

6. Raransky A., Gimcliinsky O., Evdokimenko A., Fodchuk I. X-ray diffraction investigations of structural changes in InSb and Si crystals, irradiated by high-energy electrons // International Conference: X-ray Topography and High Resolution Diffraction. Palermo, Italia, 1996.- P. 83.

7. Fodchuk I.M., Gimchinsky O.G., Evdokimenko A.V., Bobrovnik S.W., Masluk V.T. X-ray acoustic research of crystals irradiated by highenergy electroms // New Photovoltaic Materials for Solar Cells. On First Polish-Ukrainian Symposium. Cracow-Przegorzaly, October 21-22, 1996,- 1997,-P. 169-175.

8. Raransky' M.D., Fodchuk I.M., Korovianko O.J., Kurek I.G., Levitsky A.I., Evdokimenko A.V. Fundamentals of the theory of X-ray diffraction moire formation // Conference: Physical Problems in Material Science of Semiconducters. Chernivtsi, Ukraine 8-12 September 1997,- P 88.

9. Фодчук I.M., Раранський A.M., Гімчинський О.Г., Євдокименко А.В., Надіон Б.І., Маслюк В.Т. Рентгенодифракційні дослідження структурних змін в кристалах InSb і Si, опромінених високоенергетичними електронами // VI International Conference Physics and Technology of Thin Films. Івано-Франківськ,- 1997.-P.8.

10. Євдокименко А.В. Рентгенівська топографія кристалів в області кутів повного зовнішнього відбивання // Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика.- 1998,- вип.29,- С. 105-111.

11. Фодчук І.М., Євдокименко А.В., Гультай Л.Л. Дослідження структурних змін в приповерхневих шарах кремнію, імплантованого іонами фосфору // Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика,- 1998,- вип.ЗО,- С.98-103.

12. Raransky A., Fodchuk I., Gimchinsky О., Evdokimenko A., Marmus P., Swiatek Z., Kuznitcki Z. Research of Structural Changes in Si Implanted by Phosphorus // International Conference: X-TOP 98. Durham, UK, 1998. P.223.

Євдокішєііко А.В. Рентгенодифргкційні дослідження процесів дефектоутворення в приповерхневих шарах монокристалів при дії зовнішніх сил. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла.-Чернівсцький державний університет, Чернівці, 1998.

В роботі проведені комплексні рентгенодифракційні дослідження структурних змін і величин деформацій в приповерхневих шарах кристалу' кремнію при імплантації іонів фосфору з енергією 180 КсВ і дозою порядка

10і 5 іон/см2. Здійснено аналіз розмірів і концентрацій дислокаційних петель до і після відпалу. Побудовано експериментальні і теоретичні профілі розподілу напруг в імплантованих іонами фосфору приповерхневих шарах кремнію. На основі проведених досліджень виявлено поліруючу дію травлення іонами фосфору в атмосфері аргонної плазми і селективну в умовах тліючого високочастотного ртутного розряду. Визначені оптимальні значення прискорюючої напруги при іонному травленні структур Сс1і_хЩ хТе / СсІТе . "

Ключові слова: рентгенівські промені, дифракція, екстинкційна довжина, іонне травлення, іонна імплантація, деформація.

Евдокименко А.В. Рентгенодифракционные исследования процессов дефектообразован™ в приповерхностных слоях монокристаллов при действии внешних сил. (Рукопись).

В работе проведены комплексные рентгенодифракционные исследования структурных изменений и величин деформаций в приповерхностных слоях кристалла кремния при имплантации ионов фосфора с энергией 180КэВ и дозой порядка 1015 ион/см2. Проанализированы возможные размеры и концентрации дислокационных петель до и после отжига. Построены экспериментальные и теоретические профили распределения напряжений в имплантированных ионами фосфора приповерхностных слоях кремния. На основании проведенных исследований определено полирующее действие травления ионами Иё в атмосфере аргонной плазмы и селективной - в условиях тлеющего высокочастотного ртутного разряда. Найдены оптимальные значения ускоряющего напряжения при ионном травлении структур.

Ключевые слова: рентгеновские лучи, дифракция, экстинкционная длинна, ионное травление, ионная имплантация, деформация.

Evdokimenko A.V. X-ray diffraction researches of defect formation process in subsurface layers of single crystals under external forces action. Manuscript.

Thesis for a high scientific degree by speciality 01.04.07 - solid state physics. - Cliernivtsi State University, Chernivtsi, 1998.

Complex X-ray diffraction researches of structural changes and deformation values in subsurface layers of silicon crystals after implantation by phosphorus ions with energy 180 KeV and doze of the order an 1015 ion/sm2 are carried out in thesis. The sizes and concentrations of dislocation loops before and after annealing were analyzed. The experimental and theoretical profiles of strain distributions in subsurface silicon layers implanted by phosphorus ions are constructed. Results of researches showed the polishing operation of etching by ions in Ar plasma atmosphere and selective - in conditions of decaying high-frequency Hg bit. The best values of accelerating powers at ionic etching of structures are found.

Kev words: X-ray, diffraction, extinction length, ionic etching, ionic implantation, deformation.

Підписано до друку 29.09.98. Формат 60 х 84/16.

Папір офсетний. Друк офсетний. Ум. друк. арк. 1,2. Обл.-вид. арк. 1,2. Зам. 335. Тираж 100 прим.

Друкарня видавництва “Рута“ Чернівецького держуніверситету 274012, Чернівці, вул.Коцюбинського, 2