Рентгеновская дифрактометрия реальной структуры монокристаллов и эпитаксиальных слоев на основе двумерного анализа интенсивности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ФИЗИКО - ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.Иофффе

Р Г Б ОД

О пит 1ПО'.; На правах рукописи

к ю т т

РЕГИНАЛЬД НИКОЛАЕВИЧ

РЕНТГЕНОВСКАЯ ДИФРАКТОМЕТРИЯ РЕАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ МОНОКРИСТАЛЛОВ И ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ НА ОСНОВЕ ДВУМЕРНОГО АНАЛИЗА ИНТЕНСИВНОСТИ

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург , 1995

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе Российской Академии наук.

Официальные оппоненты; доктор физико-математических наук

профессор В.В.Аристов,

доктор физико-математических наук профессор й.А.Бушуев,

доктор физико-математических наук профессор А.И.Слуцкер.

Ведущая организация Институт кристаллографии Российской

Академии наук.

Защита состоится с'¡¿Мкй/э-Ъ 1995 г. в ^ час.

на заседании диссертационного совета Д.003.23.03 при Физико-техническом институте Российской Академии наук (194021, Санкт-Петербург, Политехническая, 26;

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института РАН.

Автореферат разослан ¿(Н'Л^Я

1ЭЭ5 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кпнд. физ.-мят. наук

/А.Л.Петров/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш Рентгеновская дифракция была и остается мощным и наиболее распространенным средством изучения структурных характеристик кристаллов. Большое место в этой области занимает дифракционный анализ реальной структуры кристаллических объектов. Исследования структурного совершенства находятся в состоянии постоянного развития. Появление новых кристаллических структур, прогресс технологии их выращивания приводит к необходимости систематического, как теоретического, так и экспериментального изучения процессов дифракции в несовершенных кристаллических системах, в кристаллических объектах различной формы, слокных синтезированных • структурах, требует обновления всего арсенала методов исследования, пойышения их точности, универсальности и информативности с получением новых структурных параметров.

Настоящая диссертационная работа находится-в русле этих основных направлений развития рентгенодифракционного анализа. В последние годы стало ясно, что весь комплекс подходов, получивших интенсивное развитие в 60-70-е годы и основанный на динамической теории дифракции и интегральной двухкристальной дифракто-метрии, уже не обеспечивает получения необходимой структурной информации, особенно исходя из требований современной технологии. Назрела необходимость перевода всего комплекса дифрактомет-рических исследований на новый уровень с возвратом к к ассичес-кому двумерному анализу интенсивности, однако уже на базе новой высокоразрешающей трехкристэльной техники и в применении к новым кристаллическим объектам. Решению этой проблемы и посвящена настоящая работа, охватывающая широкий круг различных кристаллических систем разной степени структурного совершенства и решающая как исследовательские, так и методические вопросы.

Цели и задачи работы. 1. Детальное изучение особенностей дифракции рентгеновских лучей в несовершенных монокристаллах и поверхностных слоях на основе измерения и анализа двумерного распределения интенсивности в

плоскости рассеяния.

2. Развитие методов измерения и анализа дифракционных данных для

а Определения деформаций в неоднородных по глубине поверхностных слоях,

б) идентификации дефектов и получения их параметров в монокристаллах и пленках ,

в) получения более полных сведений о структурном состоянии эпи-таксиальных пленок и сверхрешеток промежуточного совершенства,

г) изучения распределения структурных нарушений по глубине кристалла .

3. Изучение структурного совершенства широкого круга кристалличе-

ских объектов на основе разработанных методик.

Научная новизна работы определяется включением в исследовательский процесс новых технологических объектов .оригинальностью большинства полученных результатов, обнаружением ряда дифракцион-гмх закономерност й. В частности, впервые

1) неразрушащим дифракционным методом получены профили деформации в ионно-легированных кристаллах и изучена их "зависимость от энергии и дозы ионов,

2) показано, что атомы фосфора в пересыщенном твердом растворе в кремнии находятся в положении замещения,

3) измерено диффузное рассеяние в деформированных поверхностных структурах и показана возможность определения локализации дефектов по глубине по положению центра диффузной интенсивности,

4) предложен способ и измерено интегральное диффузное рассеяние с подавлением когерентной составляющей рассеяния,

5)двумерный анализ интенсивности использован для изучения дифракции в релаксированных эпитаксиальных системах и показано влияние различных типов дефектов на уширение брэгговских рефлексов, это уширение разложено на 4 составляющие части и найдено, что в релаксированных пленках определяющим является вклад микроразори-ентаций, а в системах с прорастающими дислокациями становится заметным также влияние микродеформаций, проведено сравнение однотипных рефлексов в Брэгг- и Лауэ- геометрии и обнаружено различие в уширениях соответствующих рефлексов,

6) трехкристальным дифференциальным методом исследованы особенности дифракционной картины от релаксированных . сверхрешеток,

7) экспериментально обнаружены и изучены динамические эффекты в диффузном рассеянии в Лауэ-геометрии,

8) проведен комплексный дифракционный анализ структурногосовер-шенства сверхпроводящих пленок УВа^идОу^ с использованием. однот двух- и трехкристального дифрактометра.

Практическая значимость определяется созданием новых методик рентгенодифракционного анализа,основанных.на измерении двумерного распределения интенсивности и заметно расширяющих круг получаемой структурной информации. Разработаны и предложены

1) неразрушающий способ получения профиля распределения деформации по глубине неоднородных поверхностных слоев,

2) построение интегрального распределения интенсивности дифракции вдоль вектора обратной решетки для эпитаксиальных систем, улучшающее разрешение дифракционных максимумов

3) послойный анализ структурного совершенства систем с изменяющимся по глубине параметром решетки,

'4) экспрессный способ обнаружения дислокаций несоответствия по форме трехкристальных кривых 2£о-сканирования,

5) способ измерения интегрального диффузного рассеяния ,

6) ряд способов определения глубины залегания дефектов в кристалле, в том числе локализации дислокационных сеток,

7) способ определения макроразориентаций. пленки и подложки с использованием белого излучения,

8) способ одновременного определения толщины и состава по кислороду пленок УВа2Сиз0у_х

На защиту взносятся следующие положения:

1) изменение распределения деформации по глубине поверхностных слоев кристаллов влияет на форму дифракционных кривых отражения, что создает принципиальную возможность восстановления профиля деформации из экспериментальных кривых при известном общем характере распределения.

2) Для релаксированных эпитаксиальных структур при наличии пяток дислокаций несоответствия на гетерограшив преобладающим м<?-

ханизмом уширения рентгеновских рефлексов является эффект микрора-зориентаций, а при генерации прорастающих дислокаций уширение обусловлено как микроразориентациями, так и мшфодеформациями, причем вклад первых заметно больше.

3) Дислокационные сетки, локализованные на гетерогранице," обладают эффектом дальнодействия, приводящим к уширению брэгговс-ких рефлексов плешей по нормали к вектору обратной решетки пленки даже в случае, когда излучение не доходит до тетерограницы.

4) Для диффузного рассеяния имеют место динамические эффекты, локализованные вдоль направлений, составляющих улэл Брэгга с вектором обратной решетки, и состоящие в Лауз-геометрии в появлении на диффузном фоне двух максимумов в случае толстого кристалла, чередования максимумов и минимумов при промежуточных толщинах и

минимумов для тонкого или сильно нарушенного кристалла.

5) В релаксированных сверхрешетках на кривых отражения уширение одинаково для всех сателлитов, примыкающих к данному рефлексу.

Автор защищает также другие результаты экспериментального исследования структурного совершенства монокристаллов и поверхностных слоев, а такие ряд новых методик изучения дефектной структуры кристаллов, основанных на использовании высокоразрешающей двух- и трехкристальной дифрактометрии.

Апробация работы.

Материалы диссертации представлялись на следующих конференциях Всесоюзное межвузовское совещание по многоволновому рассеянию рентгеновских лучей (Ереван,1977), XII и XIII Всесоюзные совещания по применению рентгеновских лучей к исследованию материалов (Звенигород, 1979, Черноголовка,1982), I и II конференции по динамическому рассеянию рентгеновских лучей в"кристаллах с динамическими и статическими искажениями (Мегри,1988, Кацивели,1990), II и III совещания по Всесоюзной комплексной программе "Рентген" (Черновцы,1987, 1989), 11,111 и IY Всесоюзные совещания по когерентному взаимодействию излучения с веществом (Ереван,1902. Ужгород,1985, Юрмала, 1988), III и IY Всесоюзные совещания "Дефекты структуры в полупроводниках" (Новосибирск, 1978, 1984), III и YI Всесоюзные конференции по физико-химическим основам легирования полупроводниковых ма-

- ? -

териалов (Москва,1975, 1988), (Всесоюзная конференция по росту кристаллов (Харьков,1992), I Российская конференция по физике полупроводников (Низший Новгород, 1993), Международное рабочее совещание по ионной имплантации в полупроводниках (Прага,1981), Y Международная конференция "Свойства и структура дислокаций в полупроводниках" (Москва,1986), XII Европейский кристаллографический конгресс (Москва,1989), Мезвдународные конференции по электронной микроскопии полупроводниковых материалов (Оксфорд, 1991, 1993), Международные конференции по генерированию и инженерии дефектов GADEST-1991, GADEST-1993 (Франкфурт на Одере,1991, 1993), I и II Европейские симпозиумы по рентгеновской топографии и внсокоразре-шащей дифракции (Марсель,1992, Берлин,1994).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 54 печатных работах.

Структура и объек. диссертации. Диссертация состоит из введения,- б глав и заключения. Общий объем составляет 442 машинописных страницы,"включая 297 страниц текста, 150 рисунков и 31 таблицу. Библиография содержит 484 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении кратко изложена история рентгеновской дифракто-метрии реальных кристаллов и описано современное состояние проблемы. Обоснована актуальность работы, изложены цели, научная новизна, практическая значимость.

В I главе рассмотрены методические аспекты измерений на трехкристальном рентгеновском дифрактометре в дифференциальном режиме. Кратко описаны схема, ход лучей, подробно изложены три основных способа сканирования ( ш - с вращением образца, 2<о -с вращением анализатора, и 2ы - одновременное вращение образца и анализатора с соотношением скоростей 1:2). Представлены соответствующие этим модам схемы сечений в обратном пространстве, демонстрирующие получение двумерной картины дифракции в плоскости рассеяния в трехкристальном дифрактометрическом эксперименте. Интенсивность измеряется как функция двух углгжнх параметров: углов отклонения образца а и анализатора т] от брэггопгжого

положения, которые связаны с координатами в обратном пространстве в системе осей qíí - параллельно и ^ - перпендикулярно вектору обратной решетки с центром в узле Н (рис.1):

qн = - к т) сов'вц q = к ( 2а + т) )з1ггвв

( 1 )

Рассмотрена структура трехкристалышх кривых для каждой моды сканирования в разных геометриях измерения (Брэгг- и Ла-уэ-, симметричная и асимметричные), положение псевдопиков и когерентного максимума на этих кривых, приведены формулы для расчета их интенсивности в случае совер- Рис. I.

шенного кристалла. На основе динамической теории дифракции показано, что интенсивность когерентного рассеяния распределена вдоль нормали к поверхности кристалла.

Ь 1-6 дано описание дисперсионных трехкристалышх - схем измерений и показано Елияние спектральной расходимости на получаемую картину дифракции. Излучение, соответствующее хвостам спектральной линии, распределено вдоль вектора обратной решетки и монет быть источником дополнительного пика на трехкристалышх кривых. Показано, как последнее обстоятельство может быть использовано для измерепя спектрального состава падающего излучения.

Глава II посвящена измерениям деформаций в поверхностных слоях монокристаллов. Во введен'.и освещается история данной проблемы, связанная с переходом в конце 70-х годов от измерений средней деформации из брэгговской кривей отражения к получению профиля распределения деформации по глубине, упоминается о разных

способах определения этих профилей, о проблеме однозначности решения задачи, даются ссылки на соответствующие теоретические и экспериментальные работы.

В & 2 кратко описывается характер деформации в нерелаксиро-ванных когерентных системах, указывается, что непосредственно измеряемой величиной в симметричной брэгговской геометрии является относительное изменение Ad/d нормального к поверхности мек-плоскостного расстояния по отношению к основанию.

В следующем параграфе изложена теоретическая основа расчета кривых отражения R (у) для кристаллов с неравномерным распределением деформации е (z) по глубине в рамках полукинематического приближения. Согласно последнему, амплитуда отражения складывается из кинематического рассеяния слоя и динамического подложки, При этом слбй разбивается на п ламелей, характеризуемых приведенной толщиной и приведенной деформацией Г^ :

& (У) = ü/y2 - V - У)2 [1 + 21у ,2 з1п[(у-г1)21/(у-г1]ехрф1|г>(2)

i-I 1 * 1

где фу =i[(y - 2 2 (у - í\j)z j"] , у - приведенная угловая

переменная. <1'1

Метод определения профиля деформации, используемый в работе, состоит в расчете кривой отражения для заданного парами чисел (íj, Zj.) распределения f(z) ив дальнейшей подгонке экспериментальной и расчетной кривых путем изменения этих величин.

Приемлемый начальный профиль может быть выбран по форме кривой отражения. С этой целью в & II-4 рассмотрены свойства кривых R(y) для ряда простейших видов изменения деформации: ступенчатое распределение, двухслойная система, профили с передним и задним линейным фронтом изменения f(z), гауссовская форма. Установлена связь меаду параметрами кривой R(y) и видом профиля деформации.

Экспериментальные исследизания выполнены на 4-х типах поверхностных структур: ионно-легированных и диффузионных слоях, эпитак-сиальных пленках и сверхрешетках. Результаты использования метода определения профиля деформации для кристаллов кремния, легированных ионами В+ и Р+, приведены в &5. Брэгговские кривые для этих объектов имеют сложную форму с рядом осцилляция. 1"з них были по-

-ю -

лучены распределения i(z)~6(t) в зависимости от условий имплантации и режима отжига. Полученные распределения e(t) для кремния с различной энергией имплантации В+ показаны на рис.2. В результате было установлено, что с ростом энергии имплантации происходит увеличение глубины залегания максимума деформации, увеличение его ширины и некоторое уменьшение интегральной деформации U = fe(t)dLt.

При увеличении дозы высота максимума деформации и ее интегральное значение растут пропорционально дозе (до б 1015см-2 для В+, до 5 1014см~2 для Р+). Низкотемпературный отжиг, не изменяя глубины залегания, приводит к увеличению высоты и сужению максимума функции e(t). Сравнение полученных результатов с литературными данными по распределению дефектов в иочно-легированных слоях позволяют заклю- 200 ~L,hm

чить, что положительная деформация в S1 Рис. 2.

создается при внедрении В+ как атомами примеси в' междоузлиях, так и радиационными дефектами, в случав Р+ -только дефектами.

В & II-5 изложены результаты исследования слоев Si с диффузией фосфора большой концентрации. Для образцов с различной температурой и временем диффузии и последующей разгонки были опреде-. лены профили деформации из дифракционных кривых и профили распределения фосфора как электрически активного (из юизмерений электропроводности), так и полного его количества путем.нейтронно-ак--тивационного анализа с послойным стравливанием. Совместный анализ этих данных позволил заключить, что электрически неактивная примесь (доля которой велика при больших концентрациях ЯО^ат/см ) также находится в узлах .решетки кремния, образуя, скорей всего, кластеры типа Рт- Изучение кинетики низкотемпературного отжига' (500 - 700 С) показало, что образование выделений S1P происходит наиболее активно из этих кластеров, играющих роль зародышей, что и вызывает быстрое снижение уровня деформации уже на ранних стадиях отжига. Для автоэпитаксиальных слоев SIC, легированных алюминием и бором, полученные профили деформации демонстрируют наличие переходных слоев (рис.3).

2

-г

sie (Ad

i, мкм

0,5

1.0

Поскольку в данном случае, как и при диффузии, деформация вызывается различием атомных радиусов атомов примеси и матрицы, сравнение последних дало основание заключить, что в решетке а -SIC атомы В и AI находятся в узлах решетки S1. Дифракция от сверхрешеток рассмотрена в & II—7. Для расчета кривых Рис.3. брэгговских отражений использова-

лось полукинематическое приближение (2). Проведен подробный анализ особенностей дифракционных кривых от сверхрешеток, изучено изменение интенсивности саттеллитов от соотношения параметров 2-х чередующихся слоев при сохранении средней деформации и периода, обсуждается возможность использования кинематической теории в случае толстых короткопериодных GP, Показано, что анализ интенсивности "сателлитов удобно проводить, рассматривая угловую зависимость структурного фактора СР, представляющего собой рассеивающую способность одного периода.

Экспериментальные измерения сделаны для нескольких образцов СР разной степени структурного совершенства: AlAs/GaAs на GaAs (совершенная, когерентная с подложкой), СР InGaAs/GaAs на GaAs (частично релаксированная система) и СР AlSb/GaSb, расположенная внутри сильнодис окационной релаксированной пленки G&Sb на подложке GaAs. Поскольку для последних двух систем сателлиты заметно уширены по сравнению с совершенной СР из-за присутствия дефектов релаксации (дислокационных сеток и прорастающих дислокаций) методика получения параметров СР была модифицирована следующим образом: а) с кривыми, рассчитанными для совершенной системы, сравниваются не двухкристальные кривые отражения, а трехкристальные и - 2ш -сканирования, б) сравнение производится не по пиковым, а по интегральным значениям интенсивности сателлитов, в) берутся не интенсивности по отношению к нулевому сателлиту, а абсолютные значения отражательных способностей. Это позволило определить структурные параметры (период, общую толщину, толщины, деформации и состав отдельных слоев) как для совершенной, так и дефектных

релансированных сверхрешеток.

Проблемы использования диффузного рассеяния для исследования дефектов в монокристаллах рассмотрены в главе III. Во введении перечисляются важнейшие экспериментальные и теоретические исследования по влиянию дефектов кристаллической структуры на рентгеновскую .дифракцию. В & III-2 изложены основные положения теории диффузного рассеяния по Кривоглазу-Дедериксу, приведены соответствующие формулы для расчета дифференциального сечения диффузного рассеяния для кубического, кристалла, указывается на различное поведение интенсивности ДР в двух областях его распределения - хуановской (вблизи узла обратной решетки) и асимптотической (вдали от него).

В & III -3 рассмотрены принципы измерения интенсивности ДР на трехкристальном дифрактометре, анализируются угловое положение, форма и полуширина диффузного максимума на кривых разных мод сканирования в геометриях Брэгга и'Лауэ для простейшего случая сферического распределения интенсивности ДР вокруг узла обратной решетки. Показано, что оптимальными условиями обнаружения и отделения диффузной интенсивности от когерентной является использование более коротких длин волн и низких порядков отражения. Рассмотрено влияние вертикальной расходимости падающего и отраженного пучков на измеряемую. диффузную интенсивность, проведено интегрирование соответствующих выражений по нормали к плоскости рассеяния для сферического распределения ДР, приводящее к изменению полуширины . и высоты диффузного шксшлума и его зависимости от угла отклонения. В итоге дифференциальное сечение ДР связывается непосредственно с измеряемыми на трехкристальном дифрактометре интенсивнос-тями, изложены пути обработки экспериментальных данных.

В &III-4 представлены результаты экспериментального обнаружения и изучения динамических 'эффектов в диффузном рассеянии в геометрии Лауэ. Показано, что эти эффекты связаны с попаданием в брэгговское положение относительно средней решетки кристалла или падающего, или диффузно рассеянного луча, поэтому они локализова-нн в обратном пространстве вдоль направлений, проходящих через узел под брэгговским углом к Еектору обратной решетки. Для их обнаружения оптимальным является измерение кривых и -моды сканирования, при котором происходит симметричное пересечение этих

направлений (рис. 4а), при этом требуется подавление псевдопиков с помощью многократных отражений от монохроматора и анализатора.

Форма динамических проявлений в диффузном рассеянии зависит от толщины и степени совершенства средней решетки кристалла.

Экспериментальные кривые измерялись на образцах-с поверхностными нарушениями, созданными шлифовкой грубым абразивом, и с дефектами распада в кристалле с высокой концентрацией кислорода. В случае толстого кристалла ( цг >6) соответствующие и -кривые имеют вид двух максимумов аномального прохождения: падающего и диффузно рассеянного лучей (рис.46). Для промежуточных толщин образца на фоне общего диффузного пика видны чередующиеся максимумы -минимумы, повторяющие форму проходящего Т-пучка (рис. 4в). При этом в районе а = О основной вклад вносят дефекты, лежащие вблизи выходной поверхности, а при а = -т) те, что локализованы вблизи входной. Чередование максимумов и минимумов различно для области ^ Н > 0 и ^ Н < 0, что приводит к различной форме диффузного максимума на а) -кривых, измеренных при одинаковых, но противоположных по знаку углах анализатора т] . Для сильнодефектного кристалла с дефектами распада даже при промежуточных толщинах образца динамические эффекты выражаются в виде двух экстинкционных минимумов при о = 0 и а = -т} на фоне диффузного максимума, аналогично тому, как должно быть для очень тонкого кристалла.

Явление динамической дифракции в диффузном рассеянии приводит также к появлению диффузной интенсивности в направлении прямого пучка, что было зафиксировано на экспериментальном примере для

образца SI с нарушенными поверхностями.

В &III-5 рассмотрены«вопросы идентификации структурных дефектов методом трехкристальной дифрактометрии. Приведены результаты расчета изодиффузных контуров для дефектов простых форм в кремнии; сферических кластеров и дислокационных петель различной конфигурации. Показано, что в результате интегрирования по вертикали ц плоскости рассеяния форма контуров для хуановской области в целом сохраняется. Эта форма отражается на виде измеряемых в эксперименте диффузных максимумов, исходя из этого выбраны оптимальные способы сечения плоскости рассеяния (моды сканирования), дающие возможность уже по форме одной или нескольких кривых определить структуру дефектов простой конфигурации.

Экспериментально изучено диффузное рассеяние от стержнеобраз-ных дефектов в кремнии. Такие дефекты, направленные вдоль <110>, обнаруживаются электронной микроскопией в образцах S1 с кислородом после отжига при Т = 750 С. Как и предсказывается теорией, распределение ДР от них имеет форму дисков, перпендикулярных этим направлениям. Лучше всего они фиксируются на брэгговских кривых отражения 220 с плоскостью рассеяния (111), при этом диффузный максимум имеет сложную трехгорбую форму из-за пересечения плоскостью рассеяния трех перпендикулярных ей плоскостей локализации ДР. В других геометриях измерения виден лишь одиночный диффузный пик. Такая азимутальная зависиость формы диффузного пика позволяет идентифицировать дефекты типа стержней.

Результаты изучения диффузного рассеяния от дефектов распада твердого раствора кислорода в S1 изложены в & 6. Образцы с предельной концентрацией с (0) = 1,2 Ю18 ат/см3 были подвергнуты отжигу при Т = 1020 С (5 и 10 час) и двухступенчатому отжигу (Т = 750 С, 1 час + Т = 1050 С, 1 и 5 час). Для всех образцов наблюдалось интенсивное диффузное рассеяние. Из экспериментальных данных были построены изодиффузные контуры, зависимость интегральной диффузной интенсивности от угла. Разделение ДР на симметричную и антисимметричк.'ю части показало, что во всех образцах дефекты имеют преимущественно междоузельную природу. Форма изодиффузных контуров была различной для кристаллов после одноступенчатого и двухступенчатого отжига. Однако ввиду присутствия нескольких

типов дефектов и их сложной конфигурации (по данным электронной микроскопии) эти контуры не удается связать с определенной структурой дефекта и получить искомые количественные данные о размерах и концентрации. Качественный анализ данных по ДР показывает, что при двухступенчатом отжиге общее число нарушений больше по сравнению с одноступенчатым, в последнем случае оно растет с увеличением времени отжига. С другой стороны, из хода изменения интегральной диффузной интенсивности.еледует, что увеличение времени высокотемпературного отжига в двухступенчатом процессе приводит к образовано более крупных дефектов, очевидно, за счет поглощения мелких .

Более определенная количественная информация была получена из диффузного рассеяния для кристаллов гексагонального SIC - 6Н, облученного нейтронами ( & III-7). Заметное диффузное рссеяние имело место для образцов с максимальной дозой облучения 1021см~2 после отжига при Т>1900 С. Для его анализа был» рассчитаны изодиф-фузные контуры для двух типов дефектов в Ы. -SIC: сферических кластеров и дефектов, лежащих в базисной -плоско: сти (0001), которые сравнивались с экспериментально полученным распределением ДР. После выделения симметричной части видно, что оно хорошо согласуется по форме с контурами для плоских дефектов (рис.5), знак же анти-

Рис. 5.

симметричной части указывает на их междоузельную природу. В предположении, что эти нарушения представляют•собой полные призмати-

ческие дислокационные петли, из хода зависимости интегральной диффузной интенсивности от угла отклонения образца (рис.бв) были рассчитаны их эффективные размеры и концентрация. Указанные дефекты достаточо устойчивы, их структура сохраняется вплоть до отжига при Т = 2400 С, хотя с ростом температуры происходит увеличение среднего размера и уменьшение концентрации и обусловленного ими общего избытка объема Л V. Только после отжига при Т=2500 О форма изодиффузных контуров резко меняется, что говорит об изменении конфигурации дефектов, однако полностью они не отжигаются даже при 2600 С. Изменение удельного объема дефектов ЛУ сравнивается с измерениями параметра решетки "с", однако заметное изменение последнего имеет место на ранних стадиях отжига (до 1800 С), полученные же из ДР значения А V довольно малы чтобы

быть надежно зафиксированными путем измерения параметра решетки.

& Ш-8 посвящен измерению интегрального диффузного рассеяния. Для трехкристальной дифрактометрической схемы предложен способ, аналогичный использованному в свое время Чикавой для получения кинематического изображения микродефектов в рентгеновской топографии. Главной его особенностью является подавление когерентного рассеяния, в нашем случае это достигается за счет использования брэгговс-кого монохроматора на просвет (рис.6а). Тогда при измерении трехкристальных кривых фиксируется вся интенсивность в плоскости рассеяния за исключением так называемых "мертвых зон", обозначенных на рис. 66 Рис. 6.

полосами, которые расположены вдоль осей <\а, А1кн при ш -ш - 2о.ь и 2ш - сканировании, соответственно. Рассчитаны формы соответствующих кривых для совершенного кристалла и показано, что в брэгговской геометрии образца при ш - 2ш - моде, а для Лауэ-отражений в ш -сканировании степень подавления когерентного

рассеяния наибольшая и при условии использования анализатора с трехкратным отражением вклад последней уменьшается от 100 до 5%. Экспериментальные кривые были измерены для нескольких образцов кремния с дефектами распада твердого раствора кислорода. Они представлены на рис. бв для Лауэ-геометрии, для самого совершенного образца совпадают с расчетными, для других измеряемая интенсивность обусловлена только диффузной компонентой.

Глава ГУ содержит результаты применения трехкристальной даф-рактометрии с двумерным анализом интенсивности для исследования структурного совершенства эпитаксиальных 'систем. Вначале рассматривается информация об эпитаксильных пленках, которая получается из измерения стандартных двухкристальных кривых отражения. Она сводится к деформации и толщине слоев или, в общем случае, к получению профиля распределения деформации по глубине (см. выше), при этом изменение мегплоскостного расстояния по сравнению с подложкой обусловлено, в основном,составом гетероэкитаксиальных слоев.' При частичной или полной релаксации упругих напряжений,кроме нормальной к поверхности,становится отличной от 0 и тангенциальная составляющая разницы межплоскостных расстояний пленки и подложки. Обе эти величины (Дй/с1)1 и (Дс1/(1),| определяются из кривых асимметричного брэгговского отражения, измеренных при двух положениях образца с углами падения (т5в + ф) и (чЗв - ф). Структурное совершенство пленок оценивается, в основном, по угловой полуширине максимума отражения пленки.

Основной особенностью гетероэпитаксиаль'ных систем, способствующих применению трехкристальной дифрактометрии и двумерного анализа,является расщепление узла обратной решетки на узлы пленки (К|) и подложки (Нд), взаимное расположение которых определяется характером деформации: при когерентной гетерогранице (Дй/с!),, = О, АН = (Н1 - Нд) И п (нормали к поверхности). При релаксации напряжений (Дй/с!),, 4 0 и ДН имеет тангенциальную компоненту. Построение распределения интенсивности в плоскости рассеяния позволяет выявить взаимное расположение центров отражения (узлов), что особенно важно при исследовании многослойных гетерокомпозиций с различной степенью релаксации на гетерограницах.

В П-З на основе как кинематической, так и динамической тео-

рии дифракции показано, что рассеяние на совершенной эпитакси-альной системе с когерентной гетерограницей характеризуется узконаправленным единым распределением интенсивности дифракции вдоль нормали к поверхности пластины. Измене те деформации в пленке не приводит к изменению формы когерентных пиков на кривых (^-сканирования, ширина которых, как и в случае монокристаллов, определяется лишь шириной отражения монохроматора и анализатора. Однако на трехкристальных кривых возможно появление дополнительных псевдопиков, обусловленных отражением от пленки.

В && (4 -7) на экспериментальных примерах рассматриваются особенности дифракционной картины, получаемой для релаксированных эпитаксвдльннх гетероструктур в трех геометриях: симметричной брэгговской, симметричной Лауэ- и асимметричной брэгговской.

Симметричные брэгговскяе отражения 111 и 333 были использованы для изучения нескольких образцов эпитаксиальных пленок твердого раствора А1 ва^^Ь на СаБЪ. В зависимости от толщины (1,5 -- 6) мкм) пленки были или когерентными с подложкой или частично релансированными с дислокационной сеткой, локализованной на гете-рогранице. Для образца без сетки интенсивность дифракции распределена вдоль вектора дифракции (Н и п), а для частично релаксированных образцов это распределение растянуто в направлении, перпендикулярном Н (рис.7 а,б).. Это приводит тому, что на кривых 2ш -сканирования в первом случае имеется единый когерентный пик, который смещается по шкале анализатора при изменении угла образца .по закону т) = -2а , а во втором наблюдаются два максимума, положение которых остается неизменным и оп- , ределяется разницей брэгговских углоь пленки и подложки. Соответствующие этим кривым сечения плоскости рассеяния отмечены на рис.

««I

/ !

I

Ян_

С

-гтт

}' I I / / / / / У

Э//

' Ч/

I

Л Но

-г—ь I /

и,}

2>

/

/

/ / { / /

/ /

' < /

' 1 о Т Цн

Рис. 7.

7 а, б пунктиром. Это отличие 2ш -кривых для когерентной и некогерентной систем предложено использовать в качестве способа для обнаружения сеток дислокаций несоответствия. Показано, что кривыес.^-сканирования для образцов с сетками заметно расширяются по сравнению с бездислокационными образцами, тогда как наличие дислокаций несоответствия практически не влияет на распределение интенсивности вдоль вектора Н. В связи с этим предлагается построение интегральной интенсивности со - кривых 1( с*. ) J = а )с1а

в зависимости от угла анализатора или координаты на оси ^ :

qн = " т} к соз ^ Такое построение позволяет усреднить уширение, вызываемое дислокациями несоответствия, и значительно улучшить разрешение дифракционных максигаумов эпитаксиальных слоев по сравнению с двухкристаль-ными кривыми отражения.

Эпитаксиальные пленки твердого раствора 511_хСех на были исоледованы в различной геометрии дифракции. Особый интерес представляют результаты для образца с градиентом концентрации Се х = (О - 0,2) от гетерограницы к поверхности. Двухкристальные кривые дают единый широкий пик отражения от пленки. Однако полученные трехкристальным методом контуры интенсивности в обратном пространстве показывают не только растяжение дифракционной картины перпендикулярно вектору Н, но и наличие нескольких центров отражения (узлов) вместо ожидаемых двух, а также смещение этих цент-ков на и -кривых, измеренных при различных угловых положениях анализатора в области отражения пленки, и их смещению относительно положения а =-1/2 Т) (тас.86). Интегральное распределение вдоль оси построенное по указанному выше способу, также демонстрирует осциллирующий характер отражения пленки (рис. 8в, пунктир).

Аналогичная картина наблюдается в симметричной Лауэ-дифрак-ции, однако количество центров отражения на контурах и пиков на интегральном распределении меньше, чем в брэгговском случае

(рис.8в, сплошная линия). Поскольку в этом случае вектор Н параллелен поверхности, то зависимость .Иян) отражает изменение тангенциального несоответствия межплоскостных расстояний (Л с1/с1),, . Появление нескольких максимумов указывает на присутствие в гшенкв

Р/с. 9

Рис. 10

подслоев с различными значениями этой величины, возможные толщин-ные осцилляции исключены, так как они должны быть распределены в другом направлении (ДН). Скачкообразное изменение (Д й/й)„ может вызываться дислокационными сетками, расположенными в несколько этажей. Из интегральной интенсивности максимумов на кривой <Иа_н) была определена толщина отдельных подслоев и таким образом получено распределение тангенциального несоответствия по глубине. Оно хорошо согласуется с электронно-микроскопическим (ТЕМ) снимком поперечного среза кристалла (рис. 9) как по глубине залегания дислокационных сеток, так и по их плотности. Дислокационные сетки, расположенные в несколько этажей, ответственны и за другие особенности дифракционной картины: уширение ш -пиков и их сдвиг от оси £|н , указывающий на разворот вышележащего подслоя относительно нижележащего.

Использование двумерного анализа для многослойной эпитаксиаль-ной системы показано на примере двухслойных структур 1пСаАэР на 1пР в брэгговской геометрии. Дислокации несоответствия отсутствуют, ш -кривые не уширены, а распределение вдоль отражает как изменение (ДйЛ1)х, так и толщину отдельных слоев (при г < 1мкм). Рис.10 показывает серию и -кривых для такого образца, где пуктир-ная огибающая дает изменение интенсивности вдоль вектора Н.

На основе вышеизложенных экспериментальных результатов изме_^ рение со -кривых и построение интегрального распределения вдоль Н предлагается использовать в качестве метода послойного анализа структурного совершенства эпитаксиальных систем. Если изменение Лй/й по глубине известно, закрепление угла анализатора или координаты qн позволяет зафиксировать подслой на определенной глубине, а измерение кривой ш -сканирования - оценить его совершенство по форме, ширине, сдвигу ш -пика. Такая возможность обусловлена тем, что дефекты, характерные для эпитаксиальных систем, воздействуют на дифракционную картину, в осноеном, перпендикулярно вектору Н, и мало влияют на распределение интенсивности в продольном направлении.

Использование асимметричной брэгговской геометрии позволяет измерять на одном отражении оба параметра несоответствия (Лй/й^и (Дй/й),! и наблюдать их изменение. Координата на оси qfí, огтреде-

ляемая углом анализатора, дает межплоскостное расстояние (Л с1/<1)аз а сдвиг максимума ш -кривой - угол тетрагональной дисторсии 6ф, которые связаны с величинами (Дй/й)^ и (Дй/й),, известными сотно-шениями:

(да/й)

аз = (Дй/й)^ соэ ф

з1п2ф,

( з )

+ (Дй/й),

бф = [ (ДйЛ1)х - (ДЙ/й)„ ] б 1пф со эф . Две зависимости J и бф (Чд). эквивалентные полной картине распределения в виде контуров равной интенсивности, полностью характеризуют изменение нормальных и тангенциальных межплоскостных расстояний по глубине. При этом расположение центров отражения вдоль нормали п указывает на когерентность гетерограниц (( Дй/сЦ, =0), а параллельно вектору обратной решетки Н - на полную компенсацию напряжений ( (Да/й)х = (Д<1/й)п ). Использование этой процедуры для образца с градиентной пленкой БЮе на (рис.11) подтверждает, что между подложкой и нижними слоями имеет место практически полная релаксация упругих напряжений, а дальние от пика подложки максимумы отражения относятся к слою, не содержащему некогерентных границ.

з/аЛ') -

г 4

!2 1

о

V

ЭпЯйЗьР/ЗпИцт)

»1—1

4. р»

111 111 ЛЛЗкР ии М&Р Ми*

.-«ю -гоо 0 ¿Л г 1 ° <

-то -а о

J_' '_1_'1''

-изо -юн -гоо о ¿$,("1 I Г—

ю

Рис. II

Рис. 12

Врэгговская дифракция в симметричной и асимметричной геометрии Оыла применена для изучения структурных параметров двойных ге-тероструктур (1пАбЗЬР) - 1пАз - СГпАзБЬР) на 1пАз (&1У -8). Были получены следующие результаты: а) в зависимости от степени несоответствия (~1,5 - 3)-1СГ3 мевду твердым раствором и 1пАз образцы делились на когерентные (без дислокаций) и частично релаксирован-ные, в которых методом рентгеновской топографии наблюдались дислокационные сетки; б) распределение вдоль оси имеет сложный вид с числом максимумов, превышающим число имеющихся слоев как для бездислокационных, так и частично релаксированных образцов; в)последовательность слоев по глубине была определена по сравнению интенсивности одноименных максимумов на распределении ■ИЯд), полученных для Си Ка и Мо Ка- излучения; г) из измерений в асимметричной геометрии было получено распределение как (Дй/<1)^ , так и (Дс1/(1)п по глубине (рис.12) и по величине скачков последнего показано, что дислокационные сетки в процессе релаксации образуются на всех трех гетерограницах, при этом самая плотная локализована на нижней границе с подложкой. Этот результат подтверждается электронно-микроскопическими снимками косых срезов (рис.12), д) Наличие нескольких дифракционных пиков, относяцдахся к верхнему слою ГпАбБЬР, указывает на изменение (Дй/й)^ по глубине, вызванное градиентом состава по фосфору.

В & 1У-9 изложены результаты исследования эпитаксиальной системы 1пСаАз5Ь/СаЗЬ, с пленкой, близкой по составу к 1пАз (уровень несоответствия Да/а =(1 - 3)1СГ3). По данным ТЕМ, в этой ге-тероструктурене образуются дислокации несоответствия, однако имеются дефекты типа выделений. Это приводит к отличию дифракционно:! картины от описанных выше, что нагляднее всего видно на кривых и -сканирования (рис.13). На них наблюдается узкий когерентный пик на более размытом диффузном пьедестале, что характерно для кристаллов с дефектами кулоновского типа. Анализ показывает, что дефекты, дающие диффузное рассеяние, локализованы в эпитаксиаль-ном слое. Из зависимости интегральной диффузной интенсивности от угла образца, построенной по кривым 2ы - сканирования, определен суммарный избыток объема ДУ и вклад, вносимый выделениями к несоответствие параметров решетки. Последний составлял для разных

Рис. 13

образцов величину от 3 до 25%, однако какой либо связи с составом пленки (х и у) и с величиной Ad/d замечено .не было. Для некоторых образцов на микрограммах наблюдалась большая плотность дефектов упаковки, в этом случае измерения, проведенные в асимметричной геометрии, зафиксировали релаксацию на гетерогра-нице ((Ad/d)„# 0), обусловленную, очевидно, частичными дислокациями, ограничивающими дефекты упаковки.

Изучению особенностей дифракции в эпитаксиальных слоях, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии с большим уровнем несоответствия параметров решетки, посвящен & IY-1О.Исследованы системы GaAs/Sl (Да/а = 4%), GaSb/GaAs (8%),. InSb/GaAs (16%). Из измерений отражений нескольких порядков на СиКа и МоКа- излучении были получены следующие общие закономерности дифракционной картины: а)рефлексы уширены по сравнению с совершенным кристаллом как перпендикулярно, так и параллельно вектору обратной решетки,. б) ширина отражения в нормальном направлении значительно больше, чем в продольном, в) полуширина wa не зависит от длины волны и порядка отражения, а щ имеет зависимость от брэгговского угла, близкую к tg tfg, г) для всех образцов имеет место полная релаксация на гетерогранице. Согласно классической блочной модели несовершенного кристалла, уширения рентгеновской линии могут быть вызваны конечными размерами блоков,. их взаимными разориентациями и внутренними деформациями в них. Эти компоненты имеют различную зависимость от брэгговского угла:

= 2 < е > tg

w

31

= X / 2 < t >1 соз тЗ,

ив;

= A. / 2 < т >2 Sln tig

( 4 )

не ~ - " ~ ' "о "В

= сопзг ( «в ), из2 Следовательно, основными вкладами в уширение для исследованных структур являются микроразориентации и микродеформации (<е> и <и>; размерный эффект не наблюдается. Полученные особенности дифракци-

онной картины соотносятся с общим характером дефектной структуры данных систем. По данным ТЕМ, в них,кроме плотной сетки краевых дислокаций на гетерогранице, полностью снимающих напряжения несоответствия, имеются прорастающие дислокации, плотность которых

падает от 1010см-2 в тонком слое ( 0,2-0,4 мкм) вблизи подложи й 9 -?

до 10 - 10 см в более толстом приповерхностном слое. Анализ показывает, что именно со структурой верхнего слоя связаны наблюдаемые уширения дифракционных отражений. При этом параметры блочной модели могут быть использованы здесь в качестве некоего приближения. С другой стороны, зависимость те,, Обр) хорошо согласуется с моделью хаотических дислокаций, однако большие значения мик-роразориентаций <ш> говорят о большой степени группирования одноименных дислокаций. Такого рода скопления наблюдались на ТЕМ мик-

Для образцов СаАз/Б! были измерены также Лауэ-отражения. Их сравнение с брэгговскими показало наличие термоупругах напряжений. Для полуширин в двух направлениях были получены те же закономерности, что и для брэггов-ских рефлексов, однако при этом прямая (-бц) пролегает ниже, а и„ (тЭд) - выше соответствующих брэгговских зависимостей (рис. 14). Отсюда может быть сделан вывод о преимущественном типе дислокаций.

Измерения, проведенные на образцах с сильно рассогласованными сверхрешетками,показали, что уширение сателлитов как в продольном, так и в поперечном направлении не зависит от номера сателлита. Из асимметричной геометрии дифракции было получено взаимное расположение узлов в плоскости рассеяния около рефлекса 224 (рис.15). Из него следует, что сверхрешетка А1БЬ/^аБЬ (10 пар с периодом 120 А), находящаяся внутри релаксированной пленки баБЬ, когерентна с ней, так что наклонные дислокации прорастают сквозь нее. Для сверхрешетки 1пхСа1_хАз/СаАз на СаАэ (75 пар с периодом 190 А, х^

рограммах изученных образцов.

гон гг» /»о и

V/," о ^

£ 5:

о о

О о сг

I. м а- Й-

.5

с О

О 5

«5 а-

Ъ/л. И)

20

30

£ в

РИС. 14.

0,17) имеет место частичная релаксация с образованием 7 дислокационной сетки на ге-

терогранице, что подтверждается данными ТЕМ.

-»-*-:—

С-1) СРСоХ ОН? СЧ-2)

В & 1У-11 рассматривается вопрос определения толщины эпитаксиальных пленок разной степени совершенства из интегральных отражатель-

Рис. 15

ных способностей г-^. Рассчитаны и проанализированы зависимости Г{, по динамической и кинематической теории

рассеяния от толщины и уровня поглощения. Для пленок промежуточного совершенства из экспериментально измеренных значений'. rt при использовании динамической и кинематичесрой зависимостей могут быть получены, соответственно, верхний и нижний пределы td и t^, между которыми и лежит истинное значение толщины. Для уменьшения этой неопределенности целесообразны измерения с возможно большими значениями экстинкционной длины, в частности, рефлексов типа (4П+2) в кристаллах со структурой сфалерита. Экспериментальные измерения были проведены на нескольких эпитаксиальных системах с широким набором дифракционных условий. Для частично релаксирован-ных образцов AlGaSb на GaSb с дислокационными сетками на гетеро-границе измеренные значения rj лежали между динамическими и кинематическими (кроме рефлекса 111 Cul^). Для сильнорассогласованных пленок GaAs на Si и GaSb на СаАз надежные значения t получаются при использовании кинематического приближения.

В главе Y изложены и проанализированы дифрактометрические методики, с помощью которых можно исследовать распределение структурных нарушений по глубине кристалла. Отмечается, что они могут быть разделены на интегральные и дифференциальные. К первым относятся те, которые основаны на измерении сигнала от дефектов, суммарного по некоторой толщине, начиная от поверхности, при этом информация о глубине залегания дефектов получается путем измене-

ния глубины проникновения рентгеновского излучения в кристалл или выхода из него. Дифференциальными можно условно назвать те методики, при использовании которых в ходе эксперимента закрепляется какой-либо параметр, характеризующий кристалл на определенной глубине.

Именно к последней группе относится описанный выше способ определения глубшш залегания дислокационных сеток и послойного анализа эпитаксиальных структур. В качестве фиксируемого параметра здесь используется межплоскостное расстояние. Разумеется, ход его изменения с глубиной должен быть известен или определен независимым образом. Для дефектов кулоновского типа место их залегания в кристалле определяется аналогично по локализации центра диффузного рассеяния на оси ^ . Последнее иллюстрируется экспериментальными примерами эпитаксиальной системы 1пСаАз5Ь/(За5Ь и ионно-легированных образцов Б1, отожженных при Т > 1000 С.

Из интегральных способов оценки глубины залегания дефектов предлагается: а) использование зависимости интенсивности диффузного расссеяния от длины волны излучения и б) сравнение диффузной интенсивности в симметричной и асимметричной брэгговской геометрии. Измеряемые на дифрактометре сечения диффузного рассеяния (как пиковые, так и интегральные) имеют определенную, задаваемую теорией и дифракционными условиями зависимость от длины волны излучения к . В частности, приведенная интегральная интенсивность диффузного пика на 2ы -кривой:

г^3 ~ А2 (с ЧеП)/Ъ0 , ( 5 )

где в предположении аддитивного сложения ) есть общее число

дефектов, ответственных за диффузное рассеяние , в рассеивающем объеме .

(сУеГГ) = 30/70 ] с(а) ехр (-гря/^ЦЛ 6 ) Здесь 30 - поперечное сечение падающего пучка, а 70 - синус угла падения относительно поверхности.

Зависимость этой величины от А определяется не только поглощением и связанной с ним глубиной проникновения, но и характером распределения дефектов в кристалле. Она будет различной для равномерного распределения нарушений по толщине кристалла, при сосредоточе-

нии их в поверхностном слое или, наоборот, при наличии в дефектном кристалле свободного от дефектов слоя. Указанные случаи иллюстрируются экспериментальными примерами кристаллов кремния с дефектами, образованными в процессе ионной имплантации и последующего отжига, и с нарушениями, возникающими при распаде твердого раствора кислорода. В последнем случае при использовании специальных режимов отжига на кремнии создавались слои или обогащенные кислородом и дефектами, или наоборот, обедненные ими. Использование выражений (5-6) позволило по отношению интенсивностей диффузного рассеяния на Си К^- и Мо Кк - излучении не только зафиксировать присутствие таких слоев, но и определить их толщину.

Использование диффузной интенсивности, измеренной в разной геометрии дифракции,основано на изменении глубины проникновения и эффективного объема кинематического рассеяния .при переходе от симметричного брэгговского отражения к асимметричному. Сравнение интенсивности диффузного рассеяния на рефлексах 333 (симметричном и 511 (со скользящим угллом падения) СиК^ излучения для кристаллических пластин с поверхностью типа (111) позволяет проделать эту процедуру без изменения прочих дифракционных условий и по отношению 1^(511 )/1'(1з(333) не только различать случаи, когда дефекты распределены равномерно по всей толщине кристалла или локализованы в приповерхностном слое, но и определять толщину этого дефектного слоя. Этот способ также апробирован на кристаллах кремния с приповерхностными и объемными нарушениями.

В & Y-5 изложены результаты использования дифракционных отражений в скользящей геометрии для обнаружения структурных нарушений .в сверхтонких приповерхностных слоях (0,1 мкм и меньше).. Экспериментально на кристаллах S1 и эпитаксиальной структуре GaAsP/GaAs показано, что присутствие дислокационных сеток в таких слоях вызывает значительное (по сравнению с обычной геометрией отражения) уширение дифракционного максимума. С использованием трехкристальной схемы выясняются причины этого уширения. Изменение скользящего угла падения дает возможность менять глубину проникновения, наблюдать при этом трансформацию вида кривых и оценивать таким образом глубину залегания сетки.

Глава YI посвящена исследованию структурного совершенства

пленок Y BagQügOy^, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью. Результаты обобщены по более чем 30 образцам, выращенным на различных подложках: SrTlOg, MgO, AlgOg, S1. Измерения проводились комплексом рентгеновских дифрактометрических методов, включающим использование однокристальной, двухкристальной и трех-кристальной схем.

> Однокристальная схема применялась для получения стандартных дифрактограмм, позволяющих определить монокристалличность пленки, наличие других, фаз, разделять образцы с "^'-ориентированной и "а" ориентированной фазами. При помощи о} -сканирования в схеме с узкой щелью на счетчике фиксировалось наличие крупноблочной структуры. Сравнение ш -кривых в отражении 002 подложки и 005 пленки показало, что в случае SrT103 структура пленки повторяет блочную структуру подложки, т.е выращиваемая пленка следует ориентации подложки и малоугловые границы прорастают в эпитаксиальный слой. Для пленок, выращенных на MgO, ось "с" следует скорее направлению нормали к поверхности подложки и при отклонении последней от [001] имеет место разориентация пленки и подложки. Для ее непосредственного определения по одной кривой предложен способ ш -сканирования в однокристальной схеме с установкой счетчика на двойной брэг^овский угол отражения 005 УВаСиО для СиКа-, при этом' на кривой наряду с указанным пиком пленки будет наблюдаться более узкий максимум 002 отражения подложки для к сплошного спектра излуче-

-- -----------ния, удовлетворяющего тому же брэгговскому

SL Y&aCtiO . Углу (рис.16).

Трехкристальным методом измерялась полуширина в двух направлениях ( !?„и Wj_ ) для серии симметричных брэгговских отражений от 001 до 007. Полученные значения анализировались описанным выше способом с разделением вкладов. Существование рефлек-сое с малыми брэгговскими углами, для которых относительная доля "размерного" уши-302" ¿¿рения возрастает, позволяет наблюдать нелинейный ход зависимостей wn(-6ß) и Wj.^) Рис. 16 и выделить все 4 члена, еносязд;» вклад к

уширение: <е>, <ш>, <т>1 и <т>2 (рис.17).

Результаты показывают, что а) нет пря. мой связи между полученными характеристиками структурного совершенства и материалом подложки, б) для всех образцов значения средних микроразориента-ций <ш> заметно больше, чем микродеформаций <е>, в) величина <ш> меняется от образца к образцу в значительно больших пределах, чем < е >, так что их отношение колеблется от 2,5 до 20, г) размеры областей когерентного рассеяния в нормальном к поверхности направлении в большинстве случаев близки к толщине пленок (от 0,1 до 0,6 мкм), а в тангенциальном направлении такого же порядка или больше, д) при одновременном существовании " а"- ориентированной фазы величина < со > имеет одинаковые значения для обеих фаз, аналогичная ситуация наблюдается при наличии буферного слоя.

Трехкристальная схема использовалась также для определения параметра "с". Он измерялся относительно межплоскостного расстояния эталонного монокристалла с близким значением •бц путем изме-

Рис. 17

рения углового сдвига анализатора при замене эталона исследуемым образцом. Величина "с" получилась для всех изученных пленок больше, чем соответствующее значение для монокристалла с таким же содержанием кислорода х. (Содержание кислорода определялось независимым методом). Однако при этом так ке,как для монокристаллов,параметр "с" увеличивался с уменьшением концентрации 0.

На двухкристальном дифрактометре измерялись интегральные отражательные способности г- для рефлексов 001. Поскольку в YBaCuO от содержания кислорода х зависит z-координата атомов Ва и Си, то структурный фактор отражений 001 является функцией х. Из измеренных в первом приближении получается призведеюго Fz(001)•t. Поэтому при использовании расчетных зависимостей F(x) из г , измеренных для нескольких порядков отражения (в нашем случае для 001 - 007), могут быть определены как толщина, так и содержание кислорода х путем минимизации ошибки St относительно среднего значения <t> по всем измеренным рефлексам. Предложенный способ был использован для ряда изученных образцов с пленками YBaCuO, полученные значения х сравнивались с данными независимых измерений и дали удовлетворительное согласие. Здесь следует отметить, что точность определения х таким способом не очень велика, однако другой возможности получения х из рентгенодифракционных данных в-настоящий момент нет из-за неопределенности с параметром "с".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе представлены результаты рентгенодифракционных исследований структурного совершества кристаллических объектов на основе измерения и анализа двумерного распределения интенсивности в плоскости рассеяния.

Основные результаты сводятся к следующему; I. Проведено детальное рассмотрение методических аспектов использования трехкристального дифрактометра для исследования реальной структуры кристаллов. При этом

а) рассмотрены особенности дифракционной картины, получаемой в различных схемах трехкристальной дифрактометрии,

б) изучено влияние спектрального состава излучения на дифракци-

онную картину в различных вариантах схем с ненулевой дисперсией.

II. 1) Экспериментально обнаружено и изучено влияние величины и формы распределения деформации в поверхностных слоях монокристаллов на форму двухкристальных кривых брэгговского отражения и на основе полукинематической теории рассеяния ; разработана метог дика восстановления профиля распределения деформации по глубине.

2) экспериментально измерены дифракционные кривые и по ним восстановлены профили распределения деформации по глубине дй! следующих объектов:

а) ионно-легированных кристаллов кремния в широком интервале изменения условий имплантации и отжига,

б)слоев монокристаллов S1 с диффузией фосфора в зависимости от условий диффузии и отжига,

в) автоэпитаксиальных слоев SIC, легированных AI и В,

3) Модифицирован способ получения параметров сверхрешеток, который использован для изучения структуры как когерентных

(AoGaAs/GaAs на GaAs), так и частично релаксированных сверхрешеток (AlSb/GaSb внутри GaSb на GaAs и InGaAs/GaAs на GaAa

III. 1) Систематически изучены вопросы' измерения диффузного рассеяния от структурных дефектов на трехкристальном дифрактомет-ре.в разной геометрии дифракции.

2) Экспериментально изучено диффузное рассеяние от стержнеоб-.разных дефектов в кремнии, показана сложная форма диффузного пика и ее азимутальная зависимость.

3) Обнаружены и изучены динамические эффекты в диффузном рассеянии в Лауэ-геометрии, показана зависимость формы их проявления от толщины кристалла и от распределения дефектов. Экспери- . ментально обнаружено диффузное рассеяние в направлении О-пучка.

4) Экспериментально измерено диффузное рассеяние от дефектов в гексагональных кристаллах S1C-6H после нейтронного облучения и отжига, определена структура образующихся дефектов и получены их количественные параметры.

5) Предложена схема измерения интегрального диффузного рассеяния на трехкристальном дифрактометре, позволяющая свести к минимуму вклад когерентной интенснивности, и экспериментально продемонстрированы ее возможности.

III. 1) Предложены и разработаны новые принципы использования трехкристальной дафрактометрии для исследования структурного совершенства эпитаксиальных систем, заключающиеся

а) в получении и анализе двумерней картины дифракции в плоскости рассеяния,

б) в построении интегрального распределения интенсивности вдоль вектора обратной решетки,"

в) в разделении дифракционных эффектов, связанных с дефектами типа дилатаций. и нарушениями типа, разориентаций, и в вычленении вкладов, обусловленных конечными размерами областей когерентного рассеяния,

г) в использовании разных геометрий дифракции для. получения различных компонент деформаций.

2) Изучено влияние различных типов структурных дефектов б эпитаксиальных пленках на дифракционные кривые и показано:

а) сетки дислокаций несоответствия, локализованные на гете-рогранице, вызывают уширение дифракционной картины в направлении, нормальном к вектору обратной решетки, и не влияют на распределение интенсивности в продольном направлении;

0) наклонною прорастающие дислокации уширяют дифракционные кривые в обоих направлениях сканирования;

в)' для дефектов типа выделений наблюдается как широкое диффузное, так и более узконаправленное когерентное рассеяние;

г) наиболее чувствительными к влиянию дефектов являются трех-кристальные кривые ^ -моды сканирования, по форме которых можно идентифицировать нарушения различных типов.

3) Исследована дифракционная картина от однородных и градиентных слоев БЮе на Б!, проведено сравнение Брэгг- и Лауэ-отражений и на их основе показана возможность определения глубины залегания дислокационных сеток и оценки их плотности. Полученные результаты хорошо согласуются с данными ТЕМ.

4) На примере двойных гетероструктур 1пА8БЬР - 1пАз показана возможность обнаружения и определения глубины залегания когерентных и некогерентных границ раздела из измерений в асимметричной брэгговской геометрии.

5) Исследованы закономерности дифракции в эпитаксиальных сис-

темах с большой степенью несоответствия параметров решеток (Да/а = 4 - 16%) и показано, что

»О

распределение интенсивности вдоль вектора Н имеет лоренцов-скуга,' а е перпендикулярном направлении - гауссовскую форму,

уширение дифракционных кривых в продольном направлении определяется микродеформациями, а в поперечном направлении - микро-разориентациями, причем вклад последних заметно больше.

6) Рассмотрен вопрос определения толщины эпитаксиальных слоев из интегральных отражательных способностей, на широком наборе экспериментальных примеров показаны пути его решения для слоев различной степени структурного совершенства.

У. Предложен и реализован ряд других способов неразрушаицего определения локализации структурных нарушений по глубине кристалла, среди которых

а) определение глубины залегания дефектов кулоновского типа в слоях с изменяющимся по глубине параметром решетки по локализации центра диффузного рассеяния на оси, параллельной Н;

б) послойный анализ структурного совершенства сложных эпитаксиальных систем по форме и сдвигу максимумов кривых и}-сканирова-ния, измеренных при различных углах анализатора, соответствующих подслоям с определенным межплоскосгным расстоянием;

в) определение глубины залегания и толщины нарушенных и свободных от дефектов слоев по интенсивности диффузного рассеяния . из сравнения на разных длинах волн или симметричного и асимметричного брэгговских отражений.

У1. Из полученных сведений о структурном совершенстве кристаллов основными являются следующие;

1) Деформация в слоях 51, легированных ионами В+, создается суммарным действием атомов примеси и радиационных дефектов, при увеличении энергии имплантации происходит как увеличение глубины залегания максимумов деформации, так и уменьшение ее суммарного значения. Низкотемпературный отжиг приводит к увеличению общей деформации и ее концентрации в более узком слое.

2) В диффузионных слоях Б!, сильнолегированных фосфором, атомы электрически неактивной примеси занимают узлы кремния, образуя кластеры, которые являются зародышами новой фазы на начальной

стадии низкотемпературного отжига.

3) В эпитаксиальннх сдоях SÍC-6H атомы Al и В замещают S1. 4> При релаксации напряжений в двойных гетероструктурах на основе InAs сетки дислокацйй образуются на всех трех гетерограни-цах, причем самая плотная из них - на границе с подложкой.

5) С использованием комплекса дифрактометрических методик проведено исследование широкого' набора образцов сверхпроводящих пленок YBa2Cu307_x на различных подложках и получена наиболее полная к настоящему времени совокупность структурных характеристик, включая монокристалличность, наличие фаз, блочную структуру, размеры областей когерентного рассеяния, средние значения мпкродефор-маций и микроразориентации , параметр решетки "с", толщину пленок и содержание кислорода х.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах.

1. Кютт Р.Н. Брэгговская дифракция рентгеновских лучей в крис-

таллах кремния, легированных ионами бора.

Письма в ЖГФ, 1975, т.1, в.18, с.839-843.

2. Кютт Р.Н..Шульпина И.Л. Исследование кристаллов кремния, ле-

гированных ионами бора, методом рентгеновской дифракции. Свойства легированных полупроводников.

М., Наука, 1977, с.170-176. 3. Kyutt R.N.. Petrashen P.V..Sorokin L.M. Strain profiles in ion doped, silicon obtained from X-ray rocking curves.

Phys.stat.sol.(a), 1980, Y.60, p.381-389. 4 . Александров O.B., Кютт Р.Н., Алкснис Т. Деформация решетки в слоях кремния, высоколегированных фосфором.

ФТТ, 1980, т.22, с.2892-2896.

5. Кютт Р.Н., Мохов E.H., Трегубова A.C. Деформация и совершенс-

тво слоев карбида кремния, легированных алюминием и бором.-

OTT, 1981ь, Т.23, с.3496-3499.

6. Кютт Р.Н., ПетрашеньП.В., Ситникова А.А.,Сорокин Л.М., Трегу-

бова A.C., Шульпина И.Л. Рентгеновское и электронномик-

роскопическое определение параметров распределения дефектов в ионно-легированном слое. Материалы Всесоюзного межвузовского совещания по многоволновому рассеянию рентгеновских лучей.

- 36 -

Изд. ЕГУ, Ереван, 1978. с.158-161.

7. Кютт Р.Н., Сорокин Л.М. Рентгенодифракционное исследование

дефектов в ионно-легированных слоях кремния. Materials of the Internationale working meeting on Ion glmplantatlon In semiconductors and other materials. Prague, 1981, p.121-122.

8. Ратников B.B., Кютт Р.Н., Измерение углового распределения

диффузного рассеяния рентгеновских лучей на трехкристальном спектрометре в Лауэ-геометрии. ЖГФ, 1985, .55, с.391-393.

9. Кютт Р.Н., Ратников В.В. Наблюдение динамичесих эффектов в

диффузном рассеянии при Лауэ-дифракции рентгеновских лучей.

Металлофиз., 1985, т.7, в.1, с.36-41.

10. Кютт Р.Н., Ситникова A.A. Сорокин Л.М. Диффузное рассеяние от

стержнеобразных дефектов в кристаллах кремния с кислородом.

ФТТ, 1985, Т.27, с.673-677.

11. Кютт Р.Н., Аргунова Т.е. Трехкристальный рентгенодифрактоме-

трический метод изучения дислокационных структур в монокристаллах. У Международная конференциия "Свойства и структура дислокаций" Сборник докладов.

М., 17-22 марта 1986. Черноголовка,, 1988, 141-147.

12. Щеглов М.П., Кютт Р.Н. Сорокин Л.М. Измерение рассеяния рент-

геновских лучей в условиях зеркального отражения в дифференциальном режиме. ЖГФ, 1987, т.57, п.1436-1438.

13. Кютт Р.Н. Идентификация поверхностных и объемных дефектов по

интенсивности диффузного рассеяния.

ЖТФ, 1987, т.57, с.178-180.

14. Щеглов М.П., Рувимов С.С., Кютт Р.Н., Сорокин Л.М. Выявление

дислокаций несоответствия в поверхностных слоях методом скользящей дифракциюи. ЖТФ, 1988, т.58, с.583-585.

15. Кютт Р.Н., Лепнева A.A., Мохов E.H., Ломакина Г.д. Трегубова

А.С.,Щеглов М.П. Дефектообразование при отжиге нейтронно-об-лученного карбида кремния. ФТТ, 1988, т.30, с.2606-2610.

16. Кютт Р.Н., Ратников В.В., Аргунова Т., Щеглов М.П., Рувимов С.

Сорокин Л.М. Определение глубины залегания дефектов в кристаллах с помощью рентгеновской дифрактометрии. 1Y Всесоюзное совещание по когерентному взаимодействию излучения с веществом. Юрмала, ЛССР. Тезисы докладов. Москва, 1988, с.89-90.

17. Кютт Р.Н., Рувимов С.С. Рентгонодифракционное определение ло-

кализации дислокационных сеток в эпитаксиальных структурах.

Там же, с.27-28

18. Кютт Р.Н.. Особенности использования дисперсионных схем трех-

кристального рентгеновского спектрометра. Там же, с. 119.

19. Кютт Р.Н., Аргунова Т.е. Влияние дислокаций несоответствия на

брэгговскуга дифракцию рентгеновских лучей.

ФГТ, 1989, т.31, с.40-45.

20. Кютт Р.Н. Особенности брэгговской дифракции рентгеновских лу-

чей на эпитаксиальных пленках неоднородного состава.

ФГТ, 1989, т.31, в.8, с.270-272. '

21. Александров О.В., Кютт Р.Н. Прохоров В.И., Сорокин JI.M. Кине-

тика распада твердого раствора фосфора в диффузионных слоях кремния. ФГТ, 1989, т.31, в.10, с.182-188.

22. Аргунова Т.С., Кютт Р.Н., Матвеев Б.А., Рувимов С.С., Стусь

Н.М.,Талалакин Г.Н. Структурное совершенство двойных гетер-структур • InAsSb" - InAs. ФТТ, 1990, Т.32, Р.3355-3361.

23. Кютт Р.Н. Измерение интегрального диффузного рассеяния рент-

геновских лучей способом Чикава. Вторая конференция по динамическому рассеянию рентгеновских лучей в кристаллах с динамическими и статическими искажениями.

Тезисы докладов. Кацивели, 1990, М., 1990, с.57. 24 . Argunova T.S., Kyutt R.N., Ruvlmov S.S., Scheglov M.P. ТЕМ and trlnle-crystal dlffractometry Investigation of the distribution ol dislocations In epitaxial structures.

Inst.Phys.Conf.Ser. 117, 1991. p.669-673.

25. Argunova T.S., Kyutt H.H., Matveev B.A., Ruvimov S.S., Stus

N.M., Talalakln G.N. Distribution of defects in InAsSty-InaS DHs. Solid state phenomena. 1991, v.19-20, p.581-586.

26. Витман P.B., Гусева Н.Б. Кютт Р.Н., Шульпинв И.Л. Дифракционные методы исследования эффекта генерирования в приповерхностных слоях кремния.

Электронная техника. Сер. Материалы, 1991, в.6, с.32-33.

27. Антипов В.Т., Кютт Р.Н., Никишин С.А., Рувимов С.С. и др.

Молекулярно-пучковая эпитаксия однодоменного арсенида галлия на (001) кремнии, пассивированном водородом.

- 38 -

Письма в ЖТФ, 1992, т.18, в.2, с. 1-6.

28. Ivanov S.V., Altukhov P., Bakun A., Budza A..Chaldyshev V.,

Kovalenko Yu.A., Kop ev P.S., Kyutt R.N., Meltser B.Ya., Ru- , vlmov S.S., Shaposhnlkov S.V., Sorokln L.M., Ustinov V.M.

Molecular beam epitaxy grown and characterization of thin < 2pm) GaSb layers on (100) GaAs substrates.

Semlcond.Scl.Technol. 1993, v.8, p.347-356.

29. Кютт P.H., Хапачев Ю.П. Определение толщины эпитаксиальных слоев разной степени совершенства из интегральных коэффициентов рентгенодифракционных отражений.

ЖТФ, 1993, т.63, в.12, с.50-61.

30. Кютт Р.Н., Шольц Р., Рувимов С.С., Аргунова Т.О., Будза А.А.,

Иванов С.В., Копьев П.С., Сорокин Л.М., Щеглов М.П. Дислокационная структура эпитаксиальных слоев GaSb, выращенных на подложках (001) GaAs молекулярно-лучевой эпитак-сией. ФГТ, 1993, т.35, с.724-735.

31. Kyutt R.N., Ruvlmov S.S., Argunova T.3., Ratnlkov V. Soro- • kin L.M., Scheglov M.P. Dislocation structure of heavily strained. MBE-grown GaSb on GaAs and LPE-grown CdHgTe and ZnHgTe on CdTe revealed by ТЕМ, XRD and XRT.

Inst.Phys.Conf.Ser. 134, 1993, p.577-580.

32. Барьякхтар В.Г. Немошкаленко В.В. Молодкин В.Б., Шпак А.П. Кютт Р.Н., Олиховский С.И., Кисловский Е.Н., НизкоьЪ А.И.

Интегральная трехкристальная рентгеновская дифрактометрия.'

Металлофиз., 1993, т.15, в.12, с.72-75.

33. Кютт Р.Н., Сорокин Л.М., Аргунова Т.е., Рувимов С.С. Рент-

генодифракционное исследование дислокационной структуры в . МЛЭ системах с высоким уровнем несоответствия параметров решеток. ФТТ, 1994, т.36, с:27ТЮ-2714.

34. Kyutt R.N., Ruvlmov S.S., Argunova T.S., Faleev N.N. X-ray triple crystal dlffractometry characterization of defects In lattice mismatched epitaxial' structures. 2nd European Symposium "X-ray topograrhy and high resolution diffraction" Programme and abstracts.,Berlin, 1994, p.41.

35. Kyutt R.N., Ruvimov S.S., Scheglov M.P., Paleev N.N..

Determination of strained superlattlce structural parameters. Ibid., p.134.

36. Argunova T.S., Kyutt R.N., Scheglov M.P., Faleev N.N.. Determination of YBaCuO thin layer structural parameters by using high-resolution X-ray dlffractometry.

J.Phys.D, 1995, v.28, p.A212 - A215.

37. Аргунова Т.е., Кютт P.H., Матвеев Б.А., Рувимов С.С., Стусь Н.М.,Талалакин Г.Н. Распределение деформации в двойных гвтероструктурах InAsSbP/InGaAsSb.

ФТТ, 1994, т.36, с.3071-3078

Отпечатано в типографии ГОШ

Зак.424 тир. 120, уч.-иэд.лЛ,8; ЮДП-1995 г.

Бесплатно