Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2019, № 3, стр. 37-40

ВВЕДЕНИЕ

Благодаря своим свойствам кремний находит применение в различных областях науки и техники. В настоящее время разработаны различные физические и химические методы получения тонких слоев кремния, например, молекулярно-лучевая и газовая эпитаксия, магнетронное распыление, вакуумное дуговое испарение, ионно-лучевое распыление, импульсное лазерное и плазмохимическое осаждение покрытий [1–3]. Актуальной задачей современного полупроводникового материаловедения является получение атомно-чистых поверхностей кристаллов – подложек с высоким качеством границы раздела и заданной наноморфологией. Такая проблема возникает в связи с высокой чувствительностью электронных свойств материалов к дефектам и неоднородностям структуры, а также с перспективой их использования с целью получения спонтанно упорядоченных наноструктур – равновесных массивов трехмерных островков нанометровых размеров путем предварительного создания областей, предпочтительных для зарождения кластеров. Большое значение имеет выбор кристаллографической ориентации, который предопределен особенностями строения решетки полупроводникового материала.

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

В качества материала подложки использовали пластины монокристалла кремния марки КЭФ 4.5 (ориентация (100) и (110)), КЭФ 2 (ориентация (111)), КДБ 20 (ориентация (100)). На поверхность части образцов методом термического испарения в вакууме (р < 1 × 10^–4 Па) напыляли пленки Al, Cu и Mo толщиной 30–40 нм. Изучение закономерностей распыления систем Al–Si, Cu–Si, Mo–Si связано с особенностями морфологии приповерхностного слоя, возникающими за счет более эффективного протекания процесса внедрения атомов пленок в материал подложки на значительные глубины [4–10].

Образцы облучали пучком ионов Ar⁺ и He⁺ на установке ВОКАЛ [11] в следующих режимах: средняя энергия ионов в пучке 〈E〉 = 10 кэВ, диапазон значений энергии ионов в пучке 1–15 кэВ, ток пучка ионов 7–10 мкА, доза облучения Ф = = (0.5–20) × 10¹⁸ см^–2, давление остаточных газов в области образцов при облучении не превышало величины р < 10^–6 Па. Коэффициенты распыления определяли методами фотометрирования слоя распыленных атомов на стеклянном коллекторе, прошедшем специальную обработку. Точность измерения коэффициентов распыления составляла ±15%. Массовый состав напыленного слоя определяли методами вторично-ионной масс-спектромтерии и оже-спектрометрии.

Состояние поверхности оценено методами профилометрирования с помощью профилометра-профилографа TR-200 и атомно-силовой микроскопии (ACM) (микроскоп Solver-P-47). Шероховатость поверхности образцов определяли согласно ГОСТ 2789-73 по формуле:

где n – общее число выступов (впадин) на базовой длине L_б; y_i – величина i-го отклонения от средней линии профиля поверхности.

В ряде случаев для получения дополнительной информации о состоянии поверхности образцов материалов после ионного облучения использовали статистические методы, которые позволяют на основе корреляционных оценок провести сравнительную оценку образцов на протяженных участках поверхностей.

На рис. 1 представлены типичные профилограммы поверхности в исходном состоянии и после ионного облучения, измеренные на базе 0.8 мкм. Как видно из рисунка, высота выступов образцов в исходном состоянии находится на уровне ±5–10 нм, а после распыления их величина увеличивается до 20–30 нм.

Типовые изображения поверхности, полученные методом АСМ, приведены на рис. 2, из которого видно, что на поверхности возникают локальные образования с характерными размерами 3–10 нм. При совместном облучении ионами He⁺ и Ar⁺ шероховатость поверхности уменьшается до 5–10 нм, размеры кластеров снижаются, а их плотность возрастает почти в два раза.

На рис. 3 представлены профили распределения внедренных атомов аргона в монокристаллическую кремниевую мишень со средней энергией ионов аргона 〈E〉 = 10 кэВ, дозы облучения Ф = = 10¹⁷, 5 × 10¹⁷ и 10¹⁸ см^–2. Облучение Ar⁺ (〈E〉 = = 10 кэВ при дозе Ф = 10¹⁷ см^–2) приводит к накоплению атомов аргона у поверхности на уровне C(x ≈ 0) = 1 отн. ед., сохраняющемся до глубин 14–16 нм, глубина проникновения достигает величин X_m = 24–26 нм. Увеличение дозы облучения до Ф = 5 × 10¹⁷ см^–2 формирует распределение C(x) с выраженным максимумом концентрации на глубине X_c = 14–16 нм, при этом величина X_m смещается вглубь до 38–40 нм. При дозе облучения Ф = 10¹⁸ см^–2 максимум концентрации смещается на большие глубины: X_c = 14–18 нм (R_p = = 26–28 нм). Величина X_m увеличивается от 24 до 38, 48 нм. Общее содержание внедренных атомов аргона растет в соотношении C_Ar = 1 : 1.5 : 2.3 для доз Ф = 10¹⁷, 5 × 10¹⁷ и 10¹⁸ см^–2 соответственно.

На рис. 4 в качестве примера представлены профили распределения внедренных атомов Al из пленки в монокристаллическую кремниевую мишень при облучении ионами Ar : He (соотношение компонент 1 : 1) со средней энергией ионов аргона 〈E〉 = 10 кэВ, дозы облучения Ф = 10¹⁸, 5 × 10¹⁸ см^–2.

Облучение дозой Ф = 10¹⁷ см^–2 приводит к накоплению атомов Al у поверхности на уровне C(x) = 18–24 отн. ед., сохраняющемся до глубин 300–350 нм. С увеличением дозы облучения до Ф = 5 × 10¹⁸ см^–2 формируется распределение C(x) с постоянным уровнем концентрации на глубинах до 400 нм. Общее содержание внедренных атомов алюминия составляет 36–40 отн. ед.

Как показывают эксперименты [12–15], в основе внедрения в подложку атомов из предварительно нанесенной на поверхность образца тонкой пленки лежит совместное действие механизмов, обусловленных кинематическим [9], радиационно-стимулированным [7, 10] и физико-химическим взаимодействиями [6, 10, 13].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ состояния поверхности монокристаллов кремния после воздействия пучками ионов Ar⁺ и He⁺ с широким энергетическим спектром показал, что толщина модифицированного слоя существенно зависит от дозы облучения. Для оценки глубины внедрения атомов пленок целесообразно использовать приближения, учитывающие процесс распыления и радиационно-стимулированной миграции как внедряемых ионов газов, так и атомов пленок. Наилучшей однородности поверхности монокристаллов кремния различной ориентации удается достичь при одновременном обучении ионами Ar⁺ и He⁺ в отношении, близком к 1 : 1.