Структурні зміни в пористому кремнії після іонної імплантації фосфором

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧЕРНIВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНIВЕРСИТЕТ

IМЕНІ ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

УДК 548.734

Автореферат дисертацiї

на здобуття наукового ступеня кандидата фiзико-математичних наук

СТРУКТУРНІ ЗМІНИ В ПОРИСТОМУ КРЕМНІЇ ПІСЛЯ ІОННОЇ ІМПЛАНТАЦІЇ ФОСФОРОМ

Спеціальність 01.04.07 - фізика твердого тіла

Литвинчук іван васильович

Чернiвцi - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізики твердого тіла Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича. Міністерство освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Раранський Микола Дмитрович,

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича,

завідувач кафедри фізики твердого тіла

Офiцiйнi опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Прокопенко Ігор Васильович

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

м. Київ, заступник директора

доктор фізико-математичних наук, професор

Ковалюк Захар Дмитрович

Завідувач Чернівецьким відділенням

Інституту матеріалознавства НАН України

Провідна установа: Iнститут металофізики НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 29 “ жовтня 2004р. о 15⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради при Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича (вул. Лесі Українки, 23).

Автореферат розісланий 28 вересня 2004р.

Вчений секретар

спецiалiзованої вченої ради Курганецький М.В.

ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

спектрометр дефект мікроскопія пористий

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ. Важливим стимулом та незмінним інтересом до вивчення пористих напівпровідників є можливість використання відносно простих електрохімічних та хімічних методів для отримання нанорозмірних об'єктів, а також перспектива створення на їх основі комбінованих оптикоелектронних приладів: світловипромінюючих пристроїв. В якості пористого матеріалу доцільно використовувати кремній. Це пов'язано як із внутрішньою будовою даного матеріалу, так і з його хімічними та фізичними властивостями, відпрацьованими методиками дослідження й отримання матеріалу, а також його великими природними запасами.

Квантово-розмірні обмеження в нанокристалах кремнію дають перспективу у створенні потужних джерел люмінесценції у видимій області спектра. Такий електролюмінесцентний випромінювач із пористого кремнію може бути виготовлений мікронних (і навіть субмікронних) розмірів і сполучений з іншими напівпровідниковими елементами на одному кремнієвому кристалі. Це створює основу для якісного стрибка у розвитку інформаційних і комп'ютерних технологій завдяки швидкодіючій оптичній обробці інформації і створенню кремнієвої оптоелектроніки. Проте, на шляху реалізації подібних задач постають серйозні проблеми, пов'язані з нестабільністю структурних, оптичних, люмінесцентних та інших фізичних і хімічних характеристик пористого кремнію. Слід зазначити, що для стабілізації випромінювальних та структурних характеристик матеріалу найчастіше використовують різноманітні обробки поверхні пористого кремнію, які вирішують дану проблему лише частково, оскільки вносять велику кількість різноманітних порушень і спотворень в кристалічну гратку матеріалу.

Для структурної діагностики поверхневих шарів матеріалів, як правило, використовують Х - променеві методи. Вказані методи є неруйнівними, неконтактними, експресними, володіють високою чутливістю до різного типу спотворень кристалічної гратки. Для уникнення неоднозначностей інтерпретації даних, отриманих з дифрактометричних вимірювань, які пов'язані з нелiнiйністю обернених задач та обмеженістю фазової інформації, існуванням декількох математично рівнозначних розв'язків, дослідження необхідно проводити з використанням цілого комплексу взаємодоповнюючих Х - променевих методів. Удосконалені методи аналітичного і чисельного моделювання процесів динамічного розсіяння Х - променів в реальних кристалах дають унікальну інформацію про розподіл деформацій за товщиною кристалу, ротаційні та дилатаційні деформації кристалічної гратки на глибинах від декількох моношарiв до десятків мiліметрів. Якщо загальнi риси профiлю деформацiї в приповерхневих шарах вiдомi (їх можна отримати порівнюючи експериментальні дані оброблених і вихідних кристалів), а визначити необхiдно лише змiну окремих деталей, то, з точки зору неруйнівного пошарового аналiзу структури приповерхневих шарів на границях розділу, найбільш доцільно використовувати симетричну та так звану косонесиметричну схеми дифракцiї на вiдбивання. Можливе також розв'язання оберненої задачі: відновлення кривої дифракційного відбивання з наперед оціненого профілю деформації. Це дає можливість одержання якісної і кількісної iнформацiї про деформаційні поля (а отже і структурнi змiни) в досить тонких приповерхневих шарах (з кроком ~ 10 нм i менше). Саме такий підхід і використовується в даній роботі для дослiдження i контролю структурних змiн, що вiдбуваються пiд час імплантації іонів фосфору в пористий кремній, та проведенні інших видів обробки.

У зв'язку з цим, Х - променеві дифракційні дослідження структурних змін в приповерхневих шарах пористого кремнію є актуальними, оскільки отримані результати можуть бути використані при розробці елементів сонячної енергетики, люмінесцентних випромінювачів, а також при використанні заданих конфігурацій мікроелектронних приладів для різних матеріалів в процесі іонної імплантації та наступних видах обробки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у межах координаційної програми Міністерства освіти України “Дво- та багатохвильова рентгенівська дифрактометрія надтонких шарів та наноструктур”, номер державної реєстрації 0101U008206 та в рамках проекту Державного Фонду фундаментальних досліджень Міністерства України у справах науки і технологій №02.07/00079 "Нові фізичні принципи дифрактотопографії дефектів у кристалах".

У межах цієї тематики автором за допомогою методів Х - променевої дифракції і топографії, чисельного моделювання на основі рівнянь динамічної теорії розсіяння Х - променів, спектрів фотолюмінесценції та даних атомно-силової мікроскопії досліджено вплив імплантації іонів фосфору, хімічного травлення та їх комплексної дії на структурні та фотолюмінесцентні властивості кристалів кремнію.

Мета дисертаційної роботи полягає в аналізі структурних змін у приповерхневих шарах кремнію після іонної імплантації, хімічного травлення та їх комбінованої дії за допомогою методів Х - променевої дифракції та топографії, а також атомно-силової мікроскопії, та у дослідженні спектрів фотолюмінесценції.

Для досягнення поставленої мети розв'язувалися наступні задачі:

Розробити і налагодити оригінальні пристрої для реалізації схеми двокристального спектрометру та провести Х - променеві топографічні і дифрактометричні дослідження.

Методами Х - променевої дифракції визначити структурні зміни, а також побудувати розподіли деформацій в приповерхневих шарах кремнію після іонної імплантації фосфору, подальшого відпалу, текстурування та хімічного травлення.

Виявити структурні змiни, оцінити структурні параметри та параметри можливих дефектів в імплантованих фосфором приповерхневих шарах пористого кремнію та дослідити будову поверхні методом атомно-силової мікроскопії. Шляхом розв'язку оберненої задачі, використовуючи рівняння Такагі отримати розподіли деформацій в приповерхневих шарах кремнію після хімічного травлення та іонної імплантації

Дослідити вплив пористості на структурні і фотолюмінесцентні властивості пористого кремнію, після іонної імплантації фосфором.

Виявити особливості та закономірності формування товщинних осциляцій інтенсивності і зображень пружних полів деформацій у сильно спотворених областях досконалих кристалів під час дії зосередженої сили.

Об'єкт досліджень: зразки кремнію після іонної імплантації (доза Q=8^.10¹⁴ іон/см², енергія 180 КеВ), відпалу (три рази по 6 хвилин при температурі 500 ^оС ) та текстурування (травлення в KOH); зразок високодосконалого кремнію Сz, для якого проведено хімічне травлення - поліровка, дифузія фосфору із POCl₃. На поверхні зразка виділено чотири області: перша - вихідна, друга і третя після іонної імплантації фосфором, у третій і четвертій - проведено хімічне травлення протягом 40 секунд в розчині HF, HNO₃. Енергія імплантованих іонів - Е=180 КеВ, доза Q=810¹⁴ іон/см².

Предмет досліджень - товщинні розподіли деформацій у приповерхневих шарах кристалів кремнію після хімічного травлення, імплантації іонами фосфору та їх комплексної дії, спектри фотолюмінесценції пористого кремнію в процесі природного старіння, механізми формування товщинних розподілів інтенсивності у випадку дії зосередженої сили на клиновидний кристал-аналізатор трикристального інтерферометра.

Методи дослiдження: одно- i двокристальна Х - променева дифрактометрiя і топографiя в симетричній та косонесиметричній схемі дифракції на відбивання, метод інтегральних характеристик, програмне забезпечення чисельного розв'язку системи диференційних рiвнянь в частинних похiдних iз змiнними коефiцiєнтами, отримання спектрів фотолюмінесценція, атомно-силова мікроскопія.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше методами Х - променевої дифракції проведено дослідження структурних змін в приповерхневих шарах пористого кремнію після імплантації іонів фосфору (енергія Е= 180 КеВ, доза Q= 8·10¹⁴ іон/cм²). Визначено значення максимальних деформацій, протяжність областей пружних деформацій та характер їх розподілу за глибиною. У більшості випадків, відтворені товщинні розподіли деформацій і структурних порушень в Si, генерованих імплантацією фосфором та іншими видами обробок, є досить складними і містять різнознакові деформації величиною , розміщені на глибині 1000 - 2500 Е.

Вперше розглянуто вплив комбінованої дії іонної імплантації фосфором та хімічного травлення (параметри технологічних обробок зазначено вище) на просторові розподіли інтенсивності, структурні властивості та фотолюмінесцентні характеристики кремнію в процесі природного старіння. Отримані дані свідчать про складний розподіл деформаційних полів з товщиною кристалу, які еквівалентні розподілам мікродефектів, що об'єднані в кластери розмірами до кількох десятків мікрон з концентрацією порядку 10⁴_10⁵ см^-3, а також складним видом пористої структури.

Вперше, на основі чисельного розв'язку системи рівнянь Такагі досліджено механізми та закономірності формування товщинних осциляцій інтенсивності у сильно деформованих зосередженою силою кристалах кремнію. Починаючи з певного рівня деформацій , при якому зміна ефективної розорієнтації дефекту більша від ширини кривої гойдання W, поширення Х - променів супроводжується процесами міжвіткової взаємодії.

Розроблено і апробовано оригінальні пристрої до стандартних Х - променевих установок для проведення Х - топографічних досліджень в симетричній та косонесиметричній геометрії дифракції в області кутів повного зовнішнього відбивання та реалізації методу двокристального спектрометру.

Практичне значення одержаних результатів. Отриманi за допомогою вищеописаних методів результати суттєво розширюють фiзичнi уявлення про процеси дефектоутворення та структурні особливості кремнію після хімічного травлення та імплантації, а отже і фотолюмінесценцію імплантованого іонами фосфору пористого кремнію, і можуть бути використані при розробці елементів сонячної енергетики, електро- та фотолюмінесцентних випромінювачів.

Встановлені механізми та закономірності формування товщинних осциляцій інтенсивності у випадку сильних деформаційних полів, створених зосередженою силою, доповнюють відомі фізичні механізми міжвіткового розсіяння у випадку двохвильового розсіяння Х - променів.

Розроблені приставка, оригінальні алгоритми та програми побудови розподілів деформацій у приповерхневих шарах кристалів значно підвищують інформативність і ефективність Х - променевих топографічних і дифрактометричних методів.

Публікації здобувача і особистий внесок у роботи виконані в співавторстві. У роботах, виконаних у співавторстві, дисертантом проведено експериментальні дослідження та теоретичні розрахунки. Виконано експериментальні та теоретичні дослідження впливу зосередженої сили на Х - променеву взаємодію [1,4], отримано спектри фотолюмінесценції [2,3,5] та інтегральні оцінки структурних змін в імплантованих іонами фосфору кристалах кремнію [2,3,5] та [9-14]. В роботах [6-9] автор приймав участь у проведенні теоретичних і розрахункових досліджень та обговоренні отриманих результатів. Дисертант брав участь у розробці та налагодженні експериментальних пристроїв для стандартного обладнання, у постановці задач і обговоренні результатів усіх опублікованих у співавторстві робіт.

Апробацiя результатів дисертаційної роботи. Результати дослiджень, що лягли в основу дисертацiї, доповiдались i обговорювались на таких конференцiях і нарадах:

3d International school-conference on PPMSS (Chernivtsi, Ukraine, 1999).

Международная конференция, посвященная методам рентгенографической диагностики несовершенств в кристаллах, применяемых в науке и технике (Черновцы, Украина, 1999).

The VII International Conference of Physics and Technology of Thin Films (Іvano-Frankivsk, Ukraine, 2001).

IX Международная конференция по физике и технологии тонких пленок (МКФТТП-ІX) (Ивано-Франковск, Украина, 2003).

IV Национальная конференция по применению рентгеновского синхротронного излучений нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва, Россия, 2003).

Міжнародна науково - теоретична конференція молодих вчених “Молодь і досягнення науки у вирішенні проблем сучасності” (Чернівці, Україна, 2003).

V-th International Conference „Ion Implantation and Other Applications of Ions and Electrons (Kazimier Dolny, Poland, 2004).

7^th Biennial Conference on High Resolution X-Ray Diffraction and Imaging. - Congress Center Pruhonice near Prague (Praga, Czech Republic, 2004).

ІІ Українська конференція з фізикі напівпрвідників УНКФН-2 (Чернівці-Вижниця, Україна, 2004).

Структура i обсяг дисертацiї. Дисертацiя складається iз вступу, чотирьох роздiлiв, висновків, списку лiтератури (136 джерел). Виклад зроблено на 143 сторiнках друкованого тексту, що мiстять 32 рисунків і 5 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність вибраної теми досліджень, сформульовані мета і основні задачі роботи, її наукова новизна, практична значимість отриманих результатів, а також відомості про апробацію.

В першому розділі, що є оглядом літератури з теми дисертації, викладені основи динамічної теорії розсіяння Х - променів ідеальними та реальними кристалами. Проводиться детальний аналіз публікацій, які присвячені теоретичному та експериментальному дослідженню особливостей розсіяння Х - променів в імплантованих іонами фосфору шарах кремнію. Відзначається, що використання двокристального або трикристального Х - променевого спектрометра є перспективним для дослідження структурних змін в кристалах після дії на на них різного роду зовнішніх чинників. У той же час, відзначена недостатність відомостей у літературі про характер структурних змін в імплантованих іонами фосфору пористих шарах кремнію. Нестабільність структурних, оптичних, люмінесцентних та інших фізичних і хімічних характеристик пористого кремнію вимагає розробки нових технологій його виготовлення і контролю структурних характеристик. Саме тому актуальною є проблема розробки нових високочутливих прецизійних методів Х - променевої структурної діагностики реальних монокристалів.

В другому розділі представлені результати досліджень методами Х - променевої дифракції товщинних розподілів напруг, які виникають в перехідних шарах границь розділу при формуванні так званої -BSF структури ( - тонко імплантованого шару) імплантацією іонів фосфору в монокристалічний кремній, після відпалу та текстурування. Для аналізу структурних змін у приповерхневих шарах використано: однокристальну топографічну схему і схему двокристального спектрометра (n,-n) з установкою досліджуваного кристалу в симетричній і косонесиметричній геометрії дифракції на відбивання, числові методи розв'язку обернених задач Х - променевої дифрактометрії. Для Х - променевих топографічних досліджень вибрані наступні відбивання: симетричне (400) та “косонесиметричне” (331) CuK - випромінювання.

Наведено методики та алгоритми розв'язку прямої та оберненої дифракційних задач. Оскільки, розв'язок оберненої дифракційної задачі неоднозначний, то в першому наближенні для отримання параметрів порушених шарів (глибина порушеного шару, максимальна величина деформації та її знак, форма профілю) використано метод інтегральних характеристик. В даному методі встановлено зв'язок між величиною Фур'є - інтегралів від кривої дифракційного відбивання і формою профілю деформації. Використовуючи отриманий наближений профіль деформації шляхом функціонального задання профілю деформації , і порушень поверхневого шару W(z) та подальшої оптимізації параметрів за допомогою чисельного розв'язку рівнянь Такагі-Топена розраховуються криві гойдання до задовільного співпадання з експериментальними. Чисельний розв'язок рівнянь Такагі-Топена здійснювався за допомогою методу Рунге - Кута. Оптимізація параметрів профілів здійснювалась методом найменших квадратів із мінімізацією функцій:

де _k - вагова функція, _k=_k-_B - відхилення від кута Брега в точці k, n - число параметрів, якими функціонально задається профіль деформації і порушення поверхневого шару W(z) .

Дана функція є критерієм співпадання в k точках інтенсивності розрахованої I(x₁, .., x_n, ) та інтенсивності експериментальної Іекс() кривих гойдання із наперед заданою точністю.

Експериментальні криві гойдання отримано на двокристальному спектрометрі в симетричній схемі дифракції з використанням (400) CuK-випромінювання. У більшості випадків, відтворені товщинні розподіли деформацій і порушень в кремнії після іонної імплантації, наступного відпалу, текстурування та хімічного травлення досить складні, містять різнознакові деформації. В цілому, отримано задовільне узгодження експериментальних і розрахованих кривих гойдання - максимальна розбіжність не перевищує 3-5%.

В третьому розділі шляхом розв'язку прямої та оберненої задач отримано та відповідно уточнено розподіли деформацій в приповерхневих шарах кремнію після хімічного травлення, іонної імплантації та їх комбінованої дії. За допомогою різних технологічних обробок на поверхні зразка створено чотири області: перша - вихідна, в другій і третій проведено іонну імплантацію, в третій та четвертій сформовано пористу структуру. Отже в третій області з пористим за структурою шаром проведено ще й іонну імплантацію фосфором. Умови імплантації зазначені вище.

Для проведення Х - топографічних досліджень використано симетричну та косонесиметричну схеми дифракції для (311) рефлексу CuK_б - випромінювання. Вхідна поверхня зразка - (111). На експериментальних топограмах видно чіткі границі розділу між всіма областями зразка. У залежності від кута падіння Х - променів для кожної з відзначених областей виявляється розходження у відбивній здатності, що вказує на відмінність їхніх структурних параметрів. При цьому, напруги, що виникають після іонної імплантації або хімічного травлення в межах відповідних областей розподілені майже рівномірно.

Про ступінь пошкоджень поверхні свідчать також зображення, отримані за допомогою атомно-силової мікроскопії.

Поверхня кожної із областей містить велику кількість різноманітних дефектів і включень, оскільки навіть на вихідній області, з метою створення емітера, була проведена дифузія фосфору із . На пористих областях спостерігається подвійна система пор: великі магістральні пори розмірами 0,1-0,2 мкм і пори нанометрових розмірів 10-50^.нм (причому мінімальний розмір нанопор складає одиниці нанометрів). Така структура пор пов'язана, напевно, з невеликим часом травлення, внаслідок чого утворено невелику кількість макропор.

Як і очікувалося, найбільше значення R_a = 0.398 нм (середньоарифметичне відхилення висот від середньої площини рельєфу поверхні) характерно для області №3 (таб. 1). Для областей №2 і №4 значення R_a складають відповідно 0.288 нм, 0.303 нм. Вихідна область кристалу характеризується найменшим значенням R_a =0.17 нм. Схожі результати і для (середньоквадратичне відхилення висот від середньої площини рельєфу поверхні) для вказаних областей складає: 0,215; 0,393; 0,581; 0,387 нм відповідно.

Отже пошкодження поверхні, в цілому, незначні як за зміною міжплощинної віддалі, так і за протяжністю. Вказані закономірності підтверджуються характером “хвостів” експериментальних кривих дифракційного відбивання, які отримані на триосьовому дифрактометрі, на перших двох осях якого розміщено два германієвих монохроматори, а на третій - досліджуваний зразок кремнію. В якості монохроматорів використано бездислокаційні кристали кремнію при симетричному відбиванні (333) CuK_б випромінювання. Взаємнодисперсійне розміщення монохроматорів в комбінації з вертикальними (0,1 мм) та горизонтальними (3 мм) щілинами дає можливість отримати висококолімований падаючий промінь із наступними характеристиками: и .

Аналіз кривих дифракційного відбивання Х - променів (рис.2) показує, що відзначені вище впливи на поверхню зразка приводять до зміни характеристик і форми кривих гойдання, особливо її “хвостів”, стосовно вихідної частини зразка. Має місце також незначне збільшення напівширини кривої гойдання і відношення відносної інтегральної інтенсивності до висоти максимуму

Це свідчить про наявність різних за характером, довжиною і ступенем пошкоджень приповерхневих шарів у відзначених частинах зразка.

Слід зазначити, що найкраще узгодження результатів отримувалось для "двогорбих" профілів. Всі області характеризувалися наявністю від'ємних деформацій величиною з максимумом на глибині z_max~4000 Е із різною протяжністю, що, напевно пов'язано з попередньою обробкою пластин (дифузія, поверхнева обробка, створення контакту Ag/Al). Для області 2, імплантованої іонами фосфору та області 3 після комбінованого впливу, профіль характеризується максимумом додатної деформації з параметрами та на глибинах z_max~ 1700 та 2000Е відповідно. Пориста область характеризується наявністю постійної від'ємної деформації величиною до глибини 1300 Е і з подальшим спаданням за експоненційним законом до глибини 3000 Е.

Відзначимо, що вклад в реальне значення деформації вносять також і інші дефекти структури, наприклад, тетраедричні дефекти пакування вакансійного типу, дислокаційні петлі міжвузольного типу, а також стиск гратки внаслідок випадання різного роду виділень, наприклад SіС.

Таблиця 1. Дані АСМ для зразка кремнію

№	Середня висота рельєфу Z, нм	Середньоарифметичне відхилення висот Ra, нм	Середньоквадратичне відхилення висот Rq, нм	Площа S, нм2	Диференційна площа Sdiff, %
1	1,833	0,170	0,215	1001000	0,110
2	4,937	0,288	0,393	976590	0,178
3	10,327	0,398	0,581	984619	0,611
4	3,820	0,303	0,387	1003000	0,143

Інтегральні характеристики, отримані в схемі однокристального спектрометра, свідчать про складні структурні зміни в різних областях кристала. Обчислено структурний фактор Дебая - Валера та коефіцієнт дифузних втрат . Показано, що більш чутливим до високих порядків відбивань є структурний фактор Дебая - Валера , причому вплив його більший ніж коефіцієнта .

Отримані результати свідчать про складний розподіл деформаційних полів з товщиною кристалу, які еквівалентні мікродефектам, що об'єднані в кластери розмірами до кількох десятків мікрон із концентрацією порядку 10⁴-10⁵ см^-3, а також визначається складним видом пористої структури.

Аналізуючи інтегральну відбивну здатність різних областей слід зазначити, що вказані види обробки зменшують її в порівнянні з вихідною областю, причому найменше значення інтегральної інтенсивності спостерігається для пористих областей, що пояснюється розвинутою структурою поверхні та великим вкладом макро- та нанопор.

а) б)

Рис 1. Спектри фотолюмінесценції (ФЛ) на різних часових інтервалах від різних областей досліджуваного зразка; а) ФЛ через 24 місяці, б) ФЛ свіжоприготовленого зразка.

Пориста кремнієва структура містить велику кількість квантоворозмірних ниток різних діаметрів, тому для більш повного дослідження структурних особливостей пористого шару отримано спектри фотолюмінесценції від третьої та четвертої областей на різних часових інтервалах.

На отриманих спектрах спостерігається також ефект ''стомлюваності'' фотолюмінесценції (самовільне зменшення інтенсивності фотолюмінесценції при незмінних умовах збудження): протягом 60 хвилин інтенсивність впала більше, ніж в два рази, і спектральне зміщення смуги фотолюмінесцентного свічення в червону область спектру при тривалій експозиції зразка під збуджуючим фотолюмінесценцію світловим пучком на 25-35 мкм. Причиною "стомлюваності" фотолюмінесценції може бути зміна з часом концентрації центрів безвипромінювальної рекомбінації. Послаблення інтенсивності основної смуги та поява двох додаткових смуг у короткохвильовій області люмінесценції пористого кремнію, отриманого на модифікованій іонною імплантацією області кристалу, можна пояснити впливом внутрішніх електричних полів, що створюються зарядженими донорами (іонами фосфору). Це проявляється також в зменшенні імовірності випромінювальної рекомбінації внаслідок наявності дефектів, генерованих іонною імплантацією. Вплив цих дефектів на фотолюмінесценцію проявляється, очевидно, у створенні каналу безвипромінювальної рекомбінації і формуванні додаткових каналів випромінювальної рекомбінації.

Внаслідок старіння пористого кремнію спостерігається розширення основної смуги на ~ 30 % при незначному збільшенні висоти максимуму (на 2-3%). Для імплантованої фосфором пористої області виявлено зсув інтенсивності в довгохвильову область із появою піка, характерного для пористого кремнію.

В четвертому розділі шляхом чисельного розв'язку рівнянь Такагі досліджено вплив слабких та сильних спотворень на формування маятникових осциляцій інтенсивності Х - променів у клиновидних кристалах кремнію.

Для дослідження закономірностей і механізмів формування дифракційних зображень маятникових смуг у слабко- і сильно деформованих монокристалах використано експериментальні Х - променеві топографічні результати, отримані на трикристальному Х - променевому LLL - інтерферометрі в схемі спектрометра із клиновидним аналізатором. Поле деформацій у верхній частині клиновидного кристал - аналізатора Si створювалось дією зовнішнього зосередженого навантаження P, направленого перпендикулярно до вектора дифракції . Використовувались відбивання (220) і (111) для МоК і CuK-випромінювання. Оскільки поле зміщень в області зосередженого навантаження складне, то для розуміння закономірностей формування дифракційного зображення поля зміщень при дії зосередженої сили розглянуто моделі пружних полів, які не тільки якісно, але й кількісно наближались би до полів деформацій, що виникають в області дії зосередженої сили на клиновидний кристал.

Відзначається, що формування дифракційного зображення в пружно деформованих областях кристала суттєво залежить від характеру зміни деформації у кристалі. Зміна довжини хвилі або індексів дифракційного відбивання суттєво впливає не тільки на значення екстинкційної довжини чи ширини кривої гойдання W, а також і на ефективну величину локальних розорієнтацій, яка у декілька разів може змінювати співвідношення між ротаційною і дилатаційною складовими. Це також може впливати, відповідним чином, на формування топографічного зображення товщинних осциляцій інтенсивності у реальному кристалі.

Для кількісного аналізу товщинних профілів інтенсивності створено програмне забезпечення для цифрової обробки топографічних зображень реальних кристалів: це дало змогу побудувати відновлені експериментальні розподіли інтенсивності і порівняти їх з теоретично розрахованими.

Із зростанням навантаження Р видимість маятникових смуг погіршується на значних відстанях від точки прикладення сили. Починаючи з певного рівня деформацій (), при якому зміна ефективної розорієнтації дефекту більша від ширини кривої гойдання W, поширення Х - променів супроводжується процесами міжвіткової взаємодії. Іншими словами, у сильнодеформованій області кристала можуть виникати нові хвильові поля з точками збудження, що лежать на вітці дисперсійної поверхні, яка не відповідає вітці хвилі, що поширюється. У дифрагованому пучку спостерігається звуження центральної області розсіяння вздовж вектора дифракції, контраст границь цієї області помітно посилюється при наближенні до точки прикладення сили. Поблизу точки прикладення сили спостерігаються U-подібні смуги інтенсивності. Вершини їх направлені у товсту частину кристалу. Збільшення навантаження спочатку приводить до зменшення періодів маятникових смуг, як і в попередньому випадку. Потім, при певному рівні деформації збільшуються як період, так і їх контрастність. Зумовлено це тим, що значні деформації приводять до розмиття вузлів оберненої гратки, що, відповідно, зменшує відстань між дисперсійними вітками і підвищує ймовірність реалізації процесів міжвіткової взаємодії при переході точки збудження на іншу вітку дисперсійної поверхні.

Проведення такого роду досліджень зумовлено тим, що ще далеко не повністю досліджені механізми і особливості розсіяння Х - випромінювання сильно спотвореними областями кристалу. В більшості випадків структурні спотворення можна представити ансамблем розташованих певним чином зосереджених сил. Це дозволить використати отримані результати для розв'язання обернених задач, тобто для відтворення полів зміщень і деформацій, зумовлених дефектами і розробити на цій основі нові методи Х - променевої дифракційної оптики реальних кристалів.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ РОБОТИ

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

Отримано результати досліджень товщинних розподілів напруг, які виникають в перехідних шарах границь розділу при формуванні так званої -BSF структури ( - тонко імплантованого шару) імплантацією іонів фосфору в монокристалічний кремній, після відпалу та текстурування. Відтворені товщинні розподіли деформацій і структурних порушень в кремнії, є досить складними, містять різнознакові деформації, що пояснюється складним комплексним впливом обробки поверхні. Задовільне узгодження експериментальних і розрахованих кривих гойдання підтверджується максимальною розбіжністю не більше 3-5%.

Шляхом розв'язку прямої та оберненої задач визначено розподіли деформацій в приповерхневих шарах кремнію, які виникають внаслідок хімічного травлення, іонної імплантації та їх сумісної дії. Для досліджуваних областей зразка характерним є наявність значних напруг у напрямку, перпендикулярному до поверхні, величина яких в області: №2 , №3 , №4 ; протяжністю на глибину до 300 нм, а також наявність від'ємних деформацій з максимумом на глибині ~ 400 нм. Висота R_а характерного рельєфу нерівностей на поверхні в областях №1-№4 порядка: 0.17нм; 0.288нм; 0.398 нм; 0.303нм відповідно. Деформаційні поля в кристалі, еквівалентні хаотичному розподілу мікродефектів, що об'єднані в кластери розмірами до кількох десятків мікрон з концентрацією порядка 10⁴-10⁵ см^-3, а також зумовлені складним видом пористої структури.

Пористий шар, отриманий на модифікованій імплантацією іонами фосфору поверхні кремнієвої пластини, характеризується істотно відмінним спектром фотолюмінесценціїї в порівнянні зі спектром від вихідного пористого шару. Для імплантованої фосфором пористої області виявлено зсув спектра інтенсивності в довгохвильову область з появою максимуму характерного для пористого кремнію, що можна пояснити впливом внутрішніх електричних полів, які утворені зарядженими донорами фосфору. Причому внаслідок старіння матеріалу спостерігається незначне збільшення (на 2-3%) відносної інтенсивності спектра, а також зсув частини спектра на 25-35 мкм в довгохвильову область, які зумовлене, напевно, утворенням каналів безвипромінювальної рекомбінації і формуванням додаткових каналів випромінювальної рекомбінації.

При дії зосередженої сили на клиновидні кристали Si дифракційні зображення деформаційних полів пов'язані з явищами, що відбуваються при розповсюдженні блохівських хвиль у реальних кристалах. Ефекти рефракції Х - променевих хвильових полів у слабодеформованих кристалах і ефекти міжвіткового розсіяння в сильно спотворених областях приводять до утворення складних зображень результату дії зосередженої сили. Починаючи з деформацій (), при яких зміна ефективної розорієнтації дефекту більша від ширини кривої гойдання W, поширення Х - променів супроводжується процесами міжвіткової взаємодії. Реалізація відповідних експериментів, проведення систематичних розрахункових досліджень Х - променевого дифракційного контрасту при дії зосередженої сили і створене програмне забезпечення для цифрової обробки зображень реальних кристалів дозволяють виявити механізми, що формують дифракційні зображення.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ВИКЛАДЕНІ В НАСТУПНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЯХ

Фодчук І. М., Раранський М.Д., Струк Я.М., Литвинчук І.В. Вплив зосередженої сили на формування товщинних осциляцій інтенсивності рентгенівських променів // УФЖ. - 2001. - Т. 46, №12. - С.1275-1279.

Литвинчук И.В., Свянтек З., Фодчук И.М. Влияние ионной имплантации фосфором на структурные изменения пористого кремния // Металлофизика и новейшие технологии. - 2004. - Т.27, №8. - С.71-82.

Swiantek Z., Lytvynchuk I., Fodchuk I. The structural changes in porous silicon after ion implantation by phosphorous // Semiconductor physics, quantum electronics and optoelectronics. - 2004. - Vol.7, №.3. - Р.51-58.

Литвинчук І.В., Струк Я.М., Раранський М.Д., Фодчук І.М. Вплив зосередженої сили на формування товщинних осциляцій інтенсивності // Науковий вісник ЧДУ: Фізика. Електроніка. - ЧДУ. - 2000. - Вип.79. - С.65-68.

Литвинчук І.В., Свянтек З., Фодчук І.М. Структурні зміни в пористому Si після іонної імплантації // Науковий вісник ЧНУ: Фізика. Електроніка. - ЧНУ. - 2004. - Вип.201. - С.45-52.

Fodchuk I.M., Raransky A.M., Balovsyak C.V., Politansky R.L., Godovanjuk V.M., Lytvynchuk I.V. X-ray reflectometry of crystal surface and multiple-layer structures // 3d International school-conference on PPMSS. - Chernivtsi (Ukraine). - 1999.- P.35.

Фодчук И.М., Раранский А.Н., Баловсяк С.В., Политанский Р.Л., Литвинчук И.В., Ткач О.А. Рентгенодифракционные исследования кристаллов и многослойных структур с квантовыми ямами // Международная конференция, посвященная методам рентгенографической диагностики несовершенств в кристаллах, применяемых в науке и технике. - Черновцы. - 1999. - С.45.

Фодчук И.М., Раранский Н.Д., Баловсяк С.В., Кройтор О.П, Литвинчук И.В. Рентгеновская структурная диагностика наноструктур и границ раздела гетерофазных систем // The VII International Conference of Physics and Technology of Thin Films. - Ивано-Франковск (Украина). - 2001. - С.54.

Литвинчук И.В., Свянтек З., Фодчук И.М. Рентгенодифракционные исследования кремния имплантированого фосфором // IX Международная конференция по физике и технологии тонких пленок (МКФТТП-ІX). - Ивано-Франковск (Украина). - 2003. - С.52

Литвинчук И.В., Свянтек З., Фодчук И.М., Гуцуляк Б.И. Двухкристальная рентгеновская диагностика нарушенных приповерхностных слоев пористого кремния в случае ионной имплантации фосфором. // IV Национальная конференция по применению рентгеновского синхротронного излучений нейтронов и электронов для исследования материалов. - Москва (Россия). - 2003. - С.115

Литвинчук І.В. Рентгенодифракційні дослідження кремнію імплантованого фосфором // Міжнародна науково - теоретична конференція молодих вчених “Молодь і досягнення науки у вирішенні проблем сучасності”. - Чернівці (Україна). - 2003. - С.50

Swjantek Z., Litvinchuk I., Fodchuk I. Strain distributions in subsurface layers of porous silicon implanted by phosphorous ions // V-th International Conference „Ion Implantation and Other Applications of Ions and Electrons. - Kazimier Dolny (Poland). - 2004. - P.89

Swjantek Z., Litvinchuk I., Fodchuk I. The structural changes in porous silicon after ion implantation by phosphorous // 7^th Biennial Conference on High Resolution X-Ray Diffraction and Imaging. - Congress Center Pruhonice near Prague (Czech Republic). - 2004. - P.86.

Свянтек З., Литвинчук И.В., Фодчук И.М., Слободян М.В. Стуктурные изменения в пористом Si вследствии имплантации монами фосфора // ІІ Українська конференція з фізики напівпровідників УНКФН-2. - Чернівці-Вижниця (Україна). - 2004. - С.424

АНОТАЦІЯ

Литвинчук І.В. Структурні зміни в пористому кремнії після іонної імплантації фосфором . - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла.- Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2004.

У роботі проведені комплексні Х - променеві дослідження структурних змін в приповерхневих шарах пористого кремнію після імплантації іонів фосфору (енергія Е= 180 КеВ, доза Q= 8·10¹⁴ іон/cм²). Визначено значення максимальних деформацій, протяжність областей пружних деформацій та характер їх змін. Відтворені товщинні розподіли деформацій і порушень в кремнії, генеровані імплантацією фосфором та іншими видами обробок, є досить складними і містять різнознакові деформації. Також розглянуто вплив комбінованої дії іонної імплантації фосфором та хімічного травлення на просторові розподіли інтенсивності, структурні властивості та фотолюмінесцентні характеристики кремнію в процесі природного старіння. Отримані дані свідчать про складний розподіл деформаційних полів по товщині кристалу, які еквівалентні мікродефектам, що об'єднані в кластери розмірами до кількох десятків мікрон з концентрацією порядка 10⁴-10⁵ см^-3. На основі чисельного розв'язку системи рівнянь Такагі досліджено механізми та закономірності формування товщинних осциляцій інтенсивності у сильно деформованих зосередженою силою кристалів кремнію. Починаючи з певного рівня деформацій, при якому зміна ефективної розорієнтації дефекту більша від ширини кривої гойдання W, поширення Х - променів супроводжується процесами міжвіткової взаємодії.

Ключовi слова: Х - променева дифракцiя, пористий кремній, іонна імплантація, деформація, фотолюмінесценція, криві гойдання, топографія.

АННОТАЦИЯ

Литвинчук И.В. Структурные изменения в пористом кремнии после ионной имплантации фосфором . - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2004.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию с помощью рентгеновской топографии и дифрактометрии, спектров фотолюминесценции и атомно-силовой микроскопии структурных изменений в имплантированных фосфором приповерхностных слоях кремния после химического травления и других видов обработки, а также исследованию фотолюминесцентных свойств пористого кремния.

Получены результаты исследований толщинных распределений напряжений, которые возникают в переходных слоях раздела при формировании так называемых -BSF структур имплантацией ионов фосфора в кремний после отжига и текстурирования. Они характеризуются сложным видом распределения деформации, наличием разнознаковых деформаций, что объясняется сложным, комплексным влиянием обработок поверхности. Удовлетворительное согласовывание теоретических и экспериментальных кривых качания подтверджается максимальным отличием не более 3-5%.

Согласно данных атомно-силовой микроскопии величина среднеарифметического отклонения высот от средней плоскости рельефа поверхности R_a наименьшая для исходной области (R_a.=0,171 мкм). Для пористой и имплантированной ионами областей, соответственно R_a = 0,288 мкм и R_a.=0,308 мкм. Наибольшее значение R_a = 0.398 мкм характерно для области кристалла, которая поддавалась воздействию химического травления и ионной имплантации, что можно объяснить наибольшим воздействием обработки на поверхность материала.

Проведено теоретическое моделирование распределения напряжений в приповерхностных слоях кристалла. Использована симметричная и косонесимметричная схема дифракции на отражение. Из серии кривых качания путем решения прямой и уточнения с помощью обратной задачи получено распределение деформаций в приповерхностных слоях кремния после химического травления и ионной имплантации. Для исследуемых областей характерным является наличие значительных напряжений в направлении, перпендикулярном поверхности, величина которых в области: №2 ; №3 ; №4 , протяженностью по глубине до 300 нм, а также наличие отрицательных деформаций на глубине ~ 400 нм. Полученные данные свидетельствуют о сложном распределении деформационных полей по толщине кристалла, которые эквивалентны микродефектам, объединенным в кластеры размерами до нескольких десятков микрон с концентрацией порядка 10⁴-10⁵ см^-3.

Пористый слой, полученный на модифицированной имплантацией ионами фосфора поверхности кремниевой пластины характеризуется существенно отличным спектром фотолюминесценции по сравнению со спектром от обычного пористого слоя. Для имплантированной фосфором пористой области выявлено сдвиг интенсивности спектра в длинноволновую область с появлением максимума, характерного для пористого кремния, что можно объяснить влиянием внутренних электрических полей, которые созданы заряженными донорами фосфора.

После естественного старения материала наблюдается незначительное увеличение (на 2-3%) интенсивности максимума пористого кремния а также сдвиг (на 25-35 мкм) части спектра в длинноволновую область.

При действии сосредоточенной силы на клиновидный кристалл кремния возникающие дифракционные изображения деформационных полей связаны с разнообразием явлений, происходящих при распространении блоховских волн в реальных кристаллах. Явления рефракции волновых полей в слабодеформированных кристаллах и эффекты межветвевого рассеяния в сильноискаженных областях порождают сложные изображения результата действия сосредоточенной силы. Начиная с определенного уровня деформации при котором изменение эффективной розориентации дефектов больше, чем ширина кривой качания W, распространение рентгеновских лучей сопровождается процессами межветвевого рассеяния.

Реализация специальных экспериментов, проведение систематических расчетных исследований дифракционного контраста при определенных условиях действия сосредоточенной силы и созданное программное обеспечение для цифровой обработки изображений реальных кристаллов позволяют выявить разные механизмы, которые формируют дифракционное изображение.

Ключевые слова: Х - лучи, дифракция, экстинкционная глубина, пористый кремний, ионная имплантация, деформация, фотолюминесценция.

ABSTRACT

Litvinchuk I.V. Strucrural changes in porous silicon after phosphorus ion implantation - Manuscript.

Thesis for the degree of Candidate of Physical and Mathematical Sciences on speciality 01.04.07 - solid state physics. - Yuriy Fed'kovych Chernivtsi National University, Chernivtsi, 2004.

The comprehensive X-ray investigations of the structural changes in surface layers of the porous silicon were carried out after ion implantation by phosphorus (energy E=180KeV, dose Q=8^.10¹⁴ions/cm²). The maximal values of strains, the extension of the elastic strains and the character of structural changes were determined. The thickness distributions of the strains and disturbances in silicon caused by phosphorous implantation and other types of treatment were reproduced. It was shown that they contained the strains of various signs. The influence of combined action of ion implantation by phosphorous and chemical etching on space intensity distributions, structural properties and photoluminescence characteristics of silicon were researched during the natural aging. Obtained data testify about complex thickness distribution of strains. This distribution is equivalent to strain field of microdefects, which are united in clusters with dimensions of several tens of microns with concentration of 10⁴-10⁵cm^-3. The mechanisms and behaviours of formation of the thickness intensity oscillations in hightly deformed crystals were investigated on the basis of numerical solution of Takagi's equations. Beginning from the certain level of strains (change of effective misorientation of defect is greater than rocking curve halfwidth W ) the X-ray propagation was accompanied by the interbranch interaction.

Key words: Х-ray diffraction, porous silicon , ionic implantation, strain, photoluminescence, rocking curve, topography.

Размещено на Allbest.ru

...