автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Кристаллический рост, структурные особенности и физические свойства эпитаксиальных комбинаций кремния, фторида кальция и дисилицида кобальта

ФИЗИКО-ТГОШОГИЧЕСКМ ИНСТИТУТ РАЛ

На правах рукописи

ШРНОВ Виктор Владимирович

УЖ 539.23+621.793.162+621.382

КРИСТАЛЛИЧЕСКИ!! РОСТ, СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭГШТАКСИАЛЪШХ КОМБИНАЦИЙ КРЕМНИЯ, ФТОРИДА КАЛЬЦИЯ И ДИСИЛИВДДА КОБАЛЬТА.

05.27.01 - Твердотельная электроника, шкроэлектроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва

1992

/

Раоота выполнена в ' Центральном научно-исследовательском технологическом институте (ЦНИТИ), г.Москва.

Научный руководитель :

Официальные оппоненты I

Ведущая организация 1

доктор фшико-математических неук Гиваргизов В. И. 1

доктор технических наук, проф. Орликовский к.к.,

кандидат технических наук Шаповал С.В.

Минский научно-исследовательский институт радиоматериалов (МНИИРМ).

Защита состоится "Л09 1992 г. в чао. мня.' на 'заседании специализированного совета К 003.74.01 в Физико-технологическом института РАН по адресу: 117218, Москва, ул.Красикова.гб».

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технологического института РАН.

Автореферат разослан

оз

1992 Г.

Ученый секретарь

специализированной) совета К 003.74.01, к.ф.-ы.н. "

И.И.Хмырова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОМ

..Актуальность тема. Продемонстрированные в последние голы возможности создания многослойных тонкопленочных монокристэллических гетеросгруктур, в которих в едином "мозокристалле" объединены материалы с различными физическими свойствами обусловили развитие нового направления в физике твердого тола, связанного с изучением процессов кристаллического роста сверхтонких эпитаксивлькых пленок и исследованием физических эффектов в многослойных гетерострукту-рах, в частности» в квантовых ямах и сверхрешетках. Такие система демонстрируют совершенно новые физические (электрические, оптические, тепловые и др.) свойства, не наблюдаемые в объемных кристаллах.

Одной из основных причин интенсификации исследовательских работ в области синтеза многослойшх апитаксиальных гетероструктур являются перспективы создания ва их основе новых приборов твердотельной электроники с уникальными параметрами: СВЧ-приборов, детекторов ИК-, УФ- и рентгеновского излучения и др.

Возможности эпитексиалыюго росте резных материалов друг на друге ограничиваются прежде всего требованием близости параметров кристаллических решеток этих материалов. Наиболее сильно структурные ограничения проявляются в случае 8пи*аксиельных систем "мэ-талл-диэлектрик-голупроводник".

Дйсилицид кобальта Со8 12 (металл), фторид кальция СаРз(диэлектрик) и кремний 81 (полупроводник) - уникальный набор материал лов с идентичной кристаллической структурой и близкими значениями постоянных решеток. Данная эпитаксиальная комбинация - единственная, известная на сегодняшний день,система. с почти идевльнши, на атомном уровне.границами раздела "металл-полупроводник", "диэлектрик-полупроводник" , "металл-диэлектрик", позволяющая проводить теоретический анализ "из первых принципов" структурных и физических свойств.

Наряду с фундаментальными исследованиями эпитаксиальных комбинаций 81, СаРг, СоБ^, интенсивно проводятся работы по создании на их основе новых электронных приборов, проще всего транзисторов с металлической и пропинаемой базами, детекторов УФ- и рентгеновского излучений.

К настоящему времени остаются неясными многие аспекты кристаллического роста тонких пленок СаРа, Со512. Б1 на поверх-

ности друг друга, да изучен ряд физических свойств денных структур, имеются расхождения в интерпретации экспериментальных результатов, что требует продолжения исследований в данной области.

„Цели работа Л.Экспериментальные исследования процессов апи-таксиального роста SI, CoSl2, СаРг на монокристаллических поверхностях кремния и (флюорита, исследование структурных, электрических и оптических свойств систем CoSl2/Sl(100), СаРг/SlUOO), SKlll). CoSlg/CaFzUOO), Sl/CoSlg/CaFi(100).

2. разработка теоретической модели, описывающей формирование фасетированной поверхности пленки CaFi на Sl(100).

3. исследование электронно-стимулированных аффектов в эпи-таксиальных пленках СаРз .

4. Разработка основ теоретической модели для объяснения наблюдаемого экспериментально характера изменения коэффициента преломления тонких пленок Сарг под действием электронного облучения.

„Научная новизна работы. 1. Впервые реализован рост зпи-таксиальшх комбинаций S1, СаРг , CoSb в едином вакуумном цикле. Проведены сравнительные исследования процессов формирования сверхтонких пленок CoSla.на поверхности Sl(lOO) методами молекулярно-лу-чевой, твердофазной и реактивной епитаксии. Исследованы закономерности начального этапа роста пленки C0SI2 . Установлено, что рост носит островковый характер и что коалесценция островков происходит при толщинах планки 50 L Предложена методика количественного анализа морфологии и стехиометрии пленок CoSla методом оже-электронной спектроскопии. Обнаружены новые структурно-фазовые переходы на поверхности СаРг (100)! ПСаРг (100)-f :(1П СаРг • (100)-(1*1)—► - CaFi(100)-f:ill0); 2)(СаРг <100))-i:{|Ю>+СаРг (IOO)-i:(Ul).

2. Построены диаграммы структурного состояния систем CoSb/51(100). СаРг/SI (100), СаРа /Sl(lll). Предложен новый метод, описания структурного состояния епитаксиалъных пленок с использованием обобщенных параметров кристалличности и морфологии. Проанализирована связь структурного состояния и удельного сопротивления пленок GoSla /SH400).

3. Впервые осуществлен епитаксиальшй рост на поверхности объемного кристалла CaFa (100). Сформированы впитаксиальные структуры Cos la /CaFi (100), Sl/CaT* (100), Sl/CoSla /СаРг (100). Установлено, что пленка C0SI2 /СаРг (100) является островковой с коэффициентом покрытия 75* при толщине 300 X. Обнаружен эффект формирования приповерхностгого слоя S1 в пленке CoSb/Caii (100).

Впервые наблюдалась высокотемпературная реконструкция поверхности < 100) объемного кристалла (флюорита.

4. На основании предлагаемой модели описания процессов роста фасетироронной поверхности CaFa (100)-f:ШП показано, что наблюдаемый в экспериментах стабильный размер элементарной гсирогадн фасетировашя по (111), 4-200 X соответствует состояли» термодинамического равновесия поверхности. Оценка верхнего предела величины свободной поверхностной энергии системы (CaFa(100)3 /Si(lOO) дает значение 900 эрг/см2 .

5. Впервиэ экспериментально установлена зависимость коэффициента преломления тонких пленок CaFs/Sl от энергии и дозы электронного облучения. Предложено объяснение данного эфХектв на основе моделей Максвелла-Гарнета и Борна-Сигети,

Основные запшаемив положения:

1. Результаты исследования закономерностей эпитаксиального роста Si, CaFa , CoSla на подлокках Sl(IOO), Sl(100),CaFa (100).

2. На поверхности CaFa /SK100) имеют место следующие структурно-фазовые переходы при изменении температура и действии электронного облучения: 1 )CaFz (ÍCXJ)-Í: (11! )-> СаРг <100>-<1x1)+ CaFaOOObfiíttO); 2)cal"a(100)-ís(ll0)-*capa<l00)-í:(im. Состояние поверхности СаРз (lOO)-(lxl) сопровождается поваленным,по сравнении с объемом кристалла, содержанием атомов фтора в поверхностной решетке,

3. Наблюдаемые закономерности роста фасегированной поверхности (100) флюорита на кремням, в частности, наличие минимальной толщины пленки СаРа при которой имеет место фасегирование,й~50 X и стабильного размера пирамида фасвтироввния по (lit), d~200 X могут быть ббьяснены в рамках предлагаемой термодинамической модели.

4. Результаты исследования электрических и оптических свойств зпитаксиальннх структур CoSla/Sl, CaFa/Si и электронно-стимулированных эффектов в CaFa .

5. Электрическое сопротивление тонких зпитаксиальннх пленок CoS la /SI(tOO) определяется кристаллическим совершенством и морфологией слоев CoSla ,

6. Изменение коэффициента преломления тонких пленок СаГа при больших дозах электронного облучения связано с формированием в объеме пленки сверхрешетки кластеров ёнионних вакансия и может

сыть описано на основе моделей Максвелла-Гарнета и Борна-Сиготи. „Практическая ценность работы состоит в получении новой информации о процессах роста, структурах, электрофизических и оптических свойствах эгитаксиалькых комбинаций SI, CoSlz, СаРг. а также в развитии теоретических модельных представлений о данных процессах и свойствах.Дашше вопросы,наряду с академическим интересом,имеют непосредственное прикладное значение для создания новых твердотельных электронных приборов. Ниже приведены основные практические результаты раЗоти с точки зрения полупроводниковой технологии.

1. Синтезированы новые эвдтаксиальные комбинации: CoSlí/CaÍ2(100); Sl/CôSîa /СаРг (100).

2. Разработаны технологические рекомендации по формированию монокристаллических структур со слоями S1, СаРг , Costa для создания приборов твердотельной электроники.

3. Разработана конструкция, технология изготовления и изготовлены опытные образцы новых типов детекторов ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

4. Предложен метод формирования оптических антиотражаищц слоев в монолитных комбинированных опто- и фотоэлектронных приборах и комбинированных детекторах ионизирующих излучений, использу-Ю1Шй diîiJckt электронно-стимулированного изменения показателя пре-ломлиния флюорита.

..Апробация работа. Результаты работы докладывались и оОсуадались н'> VIII научно-технической конференции Уральского политехнического института "Разработка, исследова)ше новых материалов и технологий их получения" (Свердловск. 1983), VIII Всесоюзном симпозиума по вторичной электронной, фотоэлектронной »миссиям и спектроскопии поверхности твердого тела (Ташкент, 1990), V Всесоюзном совещании по матерчаловедешш и физико-химическим основам получения леги-ровашшх монокристаллов кремния (Москва, 1990), II Всесоюзно^ межотраслевом совещании "Тонкие пленки в электронике" (Москва-Ижевск, 1991), Научно-техническом семинаре "Проблемы технологии получения впптаксиальных структур соединений АЗВ5 " (Минск, 1991).

Публикации» Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах.

.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Она содержит 112 страниц Текста, 73 рисунка, 17 таблиц и список цитируемой литературы из 114 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели работы, ее научная новизна, практическая ценность, основные защищаемые положения, указано распределение материала по главам.

первой главе на основании литературных данных обобщаются возможности эгштоксиольного роста полупроводниковых, диэлектрических и металлических пленок с кубической структурой на поверхностях 81 и СаРг . Рассмотрены вопроси эпитаксии материалов, с кристаллической структурой цинковой обманки (ИЗгл), алмаза (У(13т), флюорита (МЗи) и каменной соли (РгоЗга). С точки зрения структурных параметров,оптимальной эпитаксиальной комбинацией "мэталл-диэлект-рик-полупроводник" является система Б1 (полупроводник, структура алмаза, а0 = 5,431 А) - СаРа (диэлектрик, структура флюорита, а0 = .5,464 X) - СоБЬ (металл, структура флюорита, а0 = 5,365 X). В главе проанализированы возможности создания на основе различных комбинаций эпитаксиальннх слоев 81, СаЕг , СоБЬ новых приборов твердотельной электроники (в том числе предложены конструкции новых типов детекторов УФ/ВУФ и рентгеновского излучений). Выделены три самостоятельных направления при создании приборов на базе данных структур: 1) кремниевые подлохки с буферными слоями СаРг , БгРг, ВаРг как универсальная основа для эпитаксии всех основных полупроводниковых материалов современной электроники (51, Се, соединений АэВз,Ад Ве,А« Ва, 51кСе1к, {(81)п(Се)п):5Ь;

2) тонкопленочные монокристаллические комбинации 51, СаРг, СоБЬ как активные слои электронных приборов:

а) СВЧ-приборы (транзисторы с металлической и проницаемой базами, мощные лавинно-пролетныо диоды, резонансно-туннельный транзистор:

б)МДЛ-транзисторы и З-хмерныо КМПП ИС;

в)детекторы УФ/ВУ^-излучений и монолитный комбинированный детектор рентгеновского излучения.

3). Различные применения, использующие особенности физических свойств эпитаксиальннх слоев: а)монокристаллическая металлизация, б)оптические ЗУ, в)датчики температуры, г)твердотельные газоанализаторы, д)прибори, использующие эффзкг оптической бистабильности.

Далее в главе обсуждаются проблемы эпитаксии СаРз, СоБЬ, 81, факторы, влияющие на гетероэпитаксиальный рост, такие кок .структурные характеристики материалов, термодинамические аспекты эпитаксии, определякщие различные меха;газмы роста: Фольмера-Вебера,

Стр&нского-Крастанова и Фракка-ван-дер-Мерве, анализируется связь условий роста с морфологией,стехиометрией, структурными дефектами и электрофизическими свойствами пленок. В настоящее время существует ряд нерешенных вопросов.как с точки зрения технологии эпитак-сиального роста, так и в понимании физики роста и влияния структур j на физические свойства пленок. Не решена проблема управления морфологическими параметрами пленок CoSb, формирова1шя сплошных пленок с требуемыми размерами микроотверстий. Большинство работ по эпитаксии CoSla посвящено структурам CoSb/SKl 1)), в то время как к структуре C0SI2(100) обратились только недавно,в связи с проблемой создания транзистора с металлической базой. Процессы роста пленок CoSli на Sl(tOO) изучены недостаточно полно.

В настоящее время отсутствуют теоретические модели, удовлетворительно объясняющие закономерности роста фасетированной поверхности ОаГг /Sl(lOO) и структурные реконструкции поверхности CaF2(100). Нет понимания причин резкого различия в характере роста CaF2 ка Sl(iOO) и Sl(lll). Не изучалась возмохность эпитаксии на объемных монокристаллических подложках СаРд .

В главе обсуждены и систематизированы процессы в тонкопленочных структурах, стимулированные электронным и УФ-облучением. Выделено три класса процессов: 1>электронио-<УФ-)стимулированная эпи-таксия, 2)иэменотю структурных характеристик твердых тел, 3 Изменение оптических свойств тонких плонок. Современное состояние работ по этим направлениям демонстрирует отсутствие полной информации и недостаточное понимание физики радиационно-стимулированшх процессов, в частности, обуславливающих измонение структурных и оптических свойств.

На основе выводов из первой главы сформулированы задачи работы.

_Во второй главе содержится описание экспериментальной установки. Методов получения и анализа зпмтаксиалышх пленок. Основная часть экспериментов была выполнена б сверхвысоковакуумной (СВВ)' многокамерной системе молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), включающей в себя две ростовые, аналитическую, транспортную и загрузочную камеры. Базорчй вакуум в ростовой камере - 5-1СГ11 Topp.

Ростовая камера оборудована двумя электронно-лучевыми испарителями для формирования молекулярных потоков si и Со. В процессе выполнения работы проводилась модернизация МЛЭ-установки, в ростовой камере были установлены многостепенной СВВ-манинулятор и вффу-зионнея ячейка для осаждения СаРг . Модернизированная МЛЭ-система

позволяет формировать эггатоксиальные плеши 51, СаРг , Со5Ь в едином вакуумном цикле.

Для обеспечения равномерности осежления предусмотрена возможность вращения подлокки в процессе роста. Температура подложки может рогулировяться в пределах 20-1000°С.

Основным мотодом исследования структур« выращиваемых пленок являлся метод дифракции быстрых электронов на отражение (да), позволяющий исследовать структуру поверхности и ее эволюцию непосредственно в процессе роста. Максимальная энергия электронов в дифрактометрв ДБЭ составляет 15 кэВ. В глеве подробно описывается методика ЛБЭ, обсухдеются ее воэмокности при анализе пленок.

Особо чистые условия роста достигались за счет использования бозмасляных методов откачки (мембранный, сорбционный, магнитораэ-рядный и титановый сублимационный нососы), применения охлаждаемых, жидким азотом криопанелей, специальных мер по кондиционированию установки. Для анализа состава атмосферы остаточных газов ростовая камера оборудована квадрупольным масс-спектромегрсм.

Аналитическая камера служит для исследований сформированных эпитаксиальных структур методами оже-электронной (ОЭС), рентгеновской фотоэлектронной (РФЭС) и вторично-ионной масс-спектроско-пии (ВИМС). Метод ВИМС использовался для анализа элементного состава пленок, метод 0Э0 - для изучения морфологии и стехиометрии слоев. Получена формула, связываюпая коэффициент покрытия подлокки плога<ой Со51а с интенсивностями око-сигналов Со и при ока-профжлированми.

Важной особенностью описываемых экспериментов является то, что исследуемые образны помещались в аналитическу» камеру из ростовой без нарушения вакуума.

Для изучения электрофизических свойств эпитаксиальных пленок измерялось поверхностное сопротивление 4-хзондовым методом, снимались вольт-амперные (ВАХ) и вольт-фарадкые (ВФХ) характеристики. Для измерения ВАХ и ВФХ изготавливались тестовые структуры с помощью фотолитографии, химического и реактивного ионного травления.

Оптические свойства пленок СоБ1з изучались на основе анализа спектров пропускания на ПК-спектрофотометре ИКС-14. У структур СаРг /Б1 измерялся коэффициент отражения на длина волны Не-Ме лазера.

_В третьей главе рассмотрены экспериментальные результаты настоящей работы. Основными объектами экспериментов являлись эпи-

таксиальшв пленки CoSb t CaFj . SI на подлохках Si(100) и Cab (100). Представлены три серии экспериментов по росту пленок; Пэштаксия CoSiz /Sl(lOO), 2)эпитаксия СаРг на Sl{100) и (111), 3)эгттаксия OoSU /СаТг (100), Si/CoSb /СаРг (100), Sl/СаРг(100).

1. Эпитаксиалыше структуры CoSb /SI (100). Изучались процессы формирования тонких пленок CoSb /Sl(lOO) следующими методами: а)тв&рдоф8эная эпмтаксия (ТЗО), Ореактивная апитаксия (РЭ), в)молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). Толщины пленок составляли 30-300 1. Методами ЛБЭ.ОЭС.ВШС исследовались структура, морфэлогия и стехиометрия пленок.

Установлено, что на начальной стадии роста пленок CoSte/ SI(100) методами МЛЭ и РЭ рост имеет ярко выраженный островковый характер и что коалбсценция островков происходит при толщинах CoSü hn~ 50-100 островки имеют форму восьмигранных пирамид с углом наклона граней к плоскости основания около 66° , причем фас '.'ирсваняо может сохраняться и после коалесценции.

Установлено, что предельная толшна эпитаксиальной пленки C0SI2 •, которая может бить получена методом РЭ, =700-900 А.

Изучались стадии ТФЭ CoStí (100). Установлено, что температура образования CoSb Т =450вС. Поверхность плети при TÍO в большинстве случаев не имеет фасетирования.

Метод ДБЭ свидетельствует, что пленки C0SI2 /Sí(100) при надлежащих условиях роста являются монокристаллическими, обладают высоким кристаллическим совершенством и атомарно-гладкой поверхностью. Наблюдались поверхностные реконструкции слоев C0SL2 /Sl(tOO). Данные реконструкции не удалось точно идентифицировать, предположительноjимеет место реконструкция (2хп).

Методом ОЭС изучалась морфология и стехиометрия пленок C0SI2 /Sl(IOO), предложена формула, связывающая коэффициент покрытия с интенсивностями оке-сигналов S1 и Со в процессе еже-профилирования. На рис Л и в табл.1 приведены результаты вкспериментов по" росту и оже-анализу.

Обнаружены три критические точки в температурной зависимости структуры пленки; Т = 450 - 500°Cj Т-600°С; Т = 950°С. Измерения электрического сопротивления пленок C0SI3 /SI демонстрируют связь между структурным состоянием и сопротивлением (рис.2).

Измерялись ВАХ и MX структур C0SI2 /S1. «Высота барьера Шоттки для CoSb /51(100) = 0.6 эВ. Изучалось оптическое

Режимы роста и Оже-профили'ООраздов СоИг/5!

/Номерз образцов 1 - 5 в та&лД соответствуют Оже-яро^ллям' на рис.1а - ряс.1д/

Тайлада 1

л Тжа ал- жзххж (А * А йи »гагакая Тацм. •с и». КИЕ аир. 1/е 111 ч в Сч/га

1 К (йГ РЭ рэ 533 660 - г г 0.В2 0.93 0.43 И

г ЮВ-7,5 а/о мэ. 675 15 г 0.4Т о.ав 0.87 2$

3 2(0 тоэ НО 7 г а, и 0.87 0,33 га

< кэс-ч,: /05" (05" РЗ РЭ 500 «2 - 2 ,2 о.еэ 0.7В 0.96 в

5 «В-12 2(0 тзэ 630 7 2 0.65 О.М 0,29 23

крону екание Т тонкгх слоев C0SI2 в ближней ИК-сбласти. Получены зависимости T(d), T(U.

2. Эгштаксиальные структуры CaPj/Sl(lOO), СаРг/S1<111).

Изучались процесса ЫЛЭ CaFi на Sl(lOO) и SI(111) для толщин пленок 50-5000 t и скоростей осаждения 0.1-1 Х/с. Наблюдался принципиально различный характер роста в случае ориентации (100) и (Ш). Исследовался процесс формирования фасетировшшой поверхности ÍCaFa (100)) /SI(100). Установлено,что фасетирование начинает проявляться, начиная с толщины пленки СаРг hf >50-60 А и что существует стабильный размер пирамида фасетирования d0~200 2. Изучались процессы реконструкции поверхности CaFa(100)-f:(111) при высокотемпературном воздействии и электронном облучении. Были обнаружены следующие структурно-фазовые переходы : 1) СаРг (100)-(1х1)+ -*■ CaFa (ÍOO)-I :{110); 2)Caía('OO)-Í:<110)-*CaFa (100)-f:<S11). Выдвинута гипотеза о том, что состояние СаРг(lOO)-(lxl) соответствует повышенному содержанию атомов фтора в поверхностной решетке. Обнаружена не идентифицированная поверхностная реконструкция системы CaFs/SKlOO) при 2-х стадийном росте.

Исследовались электрические свойства пленок СаРд/Sls удельное сопротивльние ¿ напряженно пробоя, плотность состояний на границе раздела CaWSl. Изучался оф^кт изменения оптических свойств тонких пленок СаРг под действием электронного облучения. Получена ;л.висимость коэффициента преломления от дозы облучения (рис.3). Данная зависимость аппроксимируется ьыражением: *

n(D) = a-D°,s+b

(1)

где а а о.б Юг,/г. см? Ь = 1,43.

г,8

Рис.3.Зависимость коэффи-

^ 'Л

циента преломления с: СаРа от дозы электрон- . ного облучения.

Ъ,Хл/сцг I

Глубина проникновения электронов в пленке флюорита определялась по формуле;

<1(Е) в 0.0276 8 - шв/в

(2)

где» р - плотность вещества, Е - внэргия электронов, I - атомный номер, А - атомный вес.

и

£ V)

<3

Рис^.Оже- *- 3

профиль О •х

структуры «Э «С «0

Со51а/СаРа

юо

051 (9<об) у &

»Со (?б5 »м & во

« р (649 <М

»Са <291 •») ё О 60

X 40

3

1 «0

1 иин

З.Эпгитаксиальные структуры CoSb/CaFz (100), Sl/CoSls/CaFi (100), Si/CaFa (i00).

Впервые била осуществлена зштаксия Si и CoSli на подложках СаРг (100). Морфология и состав пленок исследовались методом ОЭС (рис.4 - ожо-профиль структуры CoSb /СаРг (100)). Установлено, что пленка C0SI2 /СаРг (100) является островковой с 6=75% (при толщине пленки h~300 X). Изучались процессы ТФЭ S1 на СаРг (100), а также процессы высокотемпературной реконструкции поверхности. Впервые било обнаружено.что на поверхности (100) объемного кристалла СаРг имеет место переход CaF2(l00)~í:UU}-»CaFz(100)-(txl), аналогично тому, как это происходит в тонкопленочной системе, но при более высоких температурах.

JB четвертой главе проведен анализ и обсуждение экспериментальных результатов, предложены теоретические модели для объясне-кия наблюдаемых эффектов. Для описания структуры эпитаксиальных пленок предложено использовать обобщенные параметры кристалличности и морфологии Q и М. На рис.5 а и б приведены зависимости Q(T) и М(Т) для системы CoSb /SI. .Проведен анализ структурных, мор!»логических и стехиометрических характеристик пленок CoSia /Si, дана классификация различных типов морфологии и стехиометрии, построены диаграммы структурного состояния, проанализирована связь структуры, морфологии и стехиометрии с проводимость» пленок.

Q

и

1

600

£00 Т'С1

"во боо 600 т*с,

а

б

Iv.c.b.Параметры Q(T) (а) а М(ТИб) для система CoSla /Si(lOO)

Построены диаграммы структурного состояния систем СаГг/51(100) и СаРз / 81(111). Предложена теоретическая модель для описания закономерностей Формирования фасетированной поверхности СаРг (100). Модель дает следующие выражения для удельной свободной энергии фасетированной поверхности как функции размера элементарной пирамиды фасетировшшя А:

УС111»_ у + 2с /йг+ бе /А (3)

Ч '«х<111> I г * '

= ^лх(1Ю»+ 2*/<13+ 2 (1+£П >*./<! (4)

Гда; пи ' ни " ¡дальше энергии граней элементарных пирамид фасетирования;

е,. с2 - удельные энергии сингулярностей поверхности: вершин и ребер пирамид, соответственно.

Исследование функции №) на экстремум показывает, что она имеет минимум в некоторой точке Наличие минимума позволяет объяснить стабильный размер пирамиды фасетирования в системе СаРа(100)—ГIС111 >/51(100). На рис.б изображен вид функции г( (б). Характер зависимости объясняет не только стабильный размер пирамида (1о, но и наличие минимальной критической толщины , при которой имеет место фасетировыме. При очень малых толщинах, Л-» О,

уТаким образом при малых (менее 50-100 %) толщинах должен существовать неизвестный сегодня тип поверхностной реконструкции, более энергетически выгодный, чем фасетировакие. Были сделаны оценки величин удельной свободной энергии поверхностей СаРг <100)-Г11) и -Г:{110), согласно которым :

Предложено объяснение эффекта изменения показателя преломления в топких эпитаксиальных слоях флюорита при электронном облучении. Исходным пунктом модели является предположение о том, что основной причиной изменения показателя преломления тонких эпитаксиальных пленок СаГг под действием электронного облучения является электронно-стимулированная десорбция фтора. При больших дозах облучения дашшй процесс приводах к образованию в объеме кристалла Са!э сверхрешетки кластеров анионных вакансий (т.е. частиц металлического калыия) (Сб?г:БЬ). Образование в объеме диэлектрика металлических включений приводит к увеличению диэлектрической проницаемости среда с, которая, согласно модели Максвелла-Гарнете, связана с концентрацией металлических включений (анионных вакансий) 1 вырэхением:

"«:=*, (5)

В рассматриваемом здесь диапазоне доз (0.1-3 ) мокно считать, что концентрация образующихся анионных вакансий приблизительно пропорциональна дозе электронного облучения: Г = М), соответственно:

«(В)» (6)

Разлагая функцию «(Б) в ряд в области не очень больших доз, имеем:

«Ф)«(ПЗМ)Ц (7)

Зависимость коэффициента преломления от дозы ищем в виде:

. п(0) = па+ п(0). (8)

где п0 - коэффициент преломления иеоблученного кристалла.

Как известно, связь статической диэлектрической проницаемости с

коэффициентом преломления может' быть представлена следующим образом:

с = Пг+ &£ (9)

где с определяется формулой Ворна-Сигети :

где: е* - эффективный заряд иона,

ы1 - собственная частота поперечных колебаний (оптическая ветвь)

а - постоянная решетки, га,М - масса ионов С ¿Г и Р7

Подставляя(10) в (9), (8), .(7), после несложных математических выкладок получаем выражение для п:

где

п(й) Ш +(п0-а4 )

е. - постоянные.

(11).

на

в,.«,.«, Л

Выражение (11) согласуется с выражением (1), полученным основе аппроксимации экспериментальных результатов.

Описанный эффект позволяет формировать антиотракаюцие слои в комбинированных приборах оято- и фотоэлекгронгаш. На рис.7 а и б приведен пример структуры СаРа с облученным слоем и продемонстрирована возможность уменьшения коэффициента отражения в такой системе о 30» др_.3* »а длино волны 280 нм.

0.3

О 1 2

Ъ.КА/см* 1

Рис.7.Структура СаРг /51 с облученным слоем(а) и коэффициент отра-кения в такой структуре на длина волны 280 нм.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Получены новые экспериментальные результаты: Впервые был произведем эгттаксиальный рост структур СоБ^/СаРг (100), Б1/Со8:Ц /СаЪ (100), 51/Са?а (100). Установлено, пленка СоБЬ на СаРа (100) имеет островковый характер.

- Обнаружено, что поверхность (СаРа (100)) объемного кристалла флюорита подвержена поверхностной реконструкции СаРз(100)-Г:<111

СаРг(100)-(1х1) при Т>85СРС.

- Исследованы закономерности формирования фасетировашюй поверх-

что

ности СаРг/SKIOO). Определены характерные параметры процесса фэсетирования по (111) :

hj = 50- 80 I, 200 А, 500 эрг/см2 < <900 эрг/см2. Обнаружены новые структурные перехода поверхности CaFa(lOO) :

а) CaFaUOOMlxl)*-**^? CaFa(100)-í:(110>;

б) СаГг (tOO)-f :{t tO)442-^*-®* CaFa (lOO)-f :(1! 1)

- Исследован эффект изменения коэффициента преломления в тонких пленках CaFa на S1 под действием электронного облучения. Установлено, что зависимость коэффициента преломления от дозы облучения имеет вид:

n(D) = a-D0-9* b.

- Исследованы процессы ТФЭ, МЛЭ и РЭ CoSla /Sl(lCO). Установлено, что начальная стадия росте носит островковый характер, островки имеют вид восьмигранных пирамид с углом наклона граней к плоскости (100) около 66°. Коалесценция островков происходит при толщине C0SI2 ho~50-l00 X. Установлено,что коэффициентом покрытия можно управлять в широких пределах, изменяя условия роста. Обнаружим три критические точки в температурной зависимости структуры пленки CoSla :Т = 450-500°С, Т * 600°С, Т = 760-800РС. Продемонстрирована связь структурных и морфологических характеристик с электропроводностью пленок.

2. Предложены теоретические модели:

- модель роста фасетированной поверхности CaFa (100). Получены выражения для свободной энергии фасетированной поверхности:

-на основе модели Максвелла-Гернета дано объяснение электронно-стимулированного изменения коэффициента преломления тонких пленок флюорита. Основной физической причиной изменения оптических свойств является формирование в объеме пленки сверхрешвтки кластеров швюшшх вакансий. Получено выражение для n(D):

n(D) = + «J +(n0-c4)

3. В диссертации разработан ряд концептуальных и методических вопросов: - обобщены возможности гетероэпитаксии материалов с кубической решеткой на поверхностях с кристаллической структурой алмаза и флюорита;

- представлена концепция использования электронного и УФ-облучения поверхности материалов для управления процессами эпитаксиального роста и для изменения физических свойств эпитаксиальных пленок;

- проведен подробный анализ возможностей создания на основе эпитаксиальных комбинаций SI, СаРг , CoSb новых твердотельных электронных приборов;

- продемонстрирована возможность количественного анализа морфологии пленок C0SI2 /S1 методом ОЭС;

- проанализированы особенности сверхвысоковакуумной техники и технологии на основа обобщения опыта эксплуатации комплекса МЛЭ.

4. Практические разработки:

- предложены конструкции и изготовлены опытные варианты новых приборов: детекторов УФ/ВУФ- и рентгеновского излучений! -разработана технология формирования антиотражающих слоев в опто-и фотоэлектронных приборах на основе эффекта электрошго-стимулиро-вашюго изменения оптических свойств флюорита.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Алтухов A.A., Жирнов В.В. Исследование электронно-стимули-рованноЯ десорбции фтора в эпитаксиальных слоях флюорит/кремний.//Техника средств связи, сер.ТПО, выл.1, 1989.-с.71-76.

2. Кадушников P.M.. Бекетов А.Р., Миллер И.В., Жирнов В,В., Каманин И.Г. Моделирование геометрической структуры керамического материала//Ш1 научно-техническая конференция Уральского политехнического института "Разработка, исследование новых материалов и технологий их получения": Тезисы докладов.-Свердловск, 1968.-с.8.

3. Алтухов A.A., Жирнов В.В., Иванов В.В., Раббимов Э.А. Применение УФ-излучения для подготовки поверхности кремния перед но-лекулярно-лучевой 8гмтаксией.//УП Всесоюзный симпозиум по вторичной электронной, Фотоэлектронной эмиссиям и спектроскопии поверхности твердого тела: Тезисы докладов,- Ташкент, 1990.-е.151-152.

4. Алтухов A.A., Жирнов В.В,, Митягин А.Б.б Шшшаренко В.Я. Эпитаксиальные гетероструктуры CoSb /C&F2 (100) й SI/C0SI2 /СаРг (100).//VII Всесоюзный симпозиум по вторичной электронной, фотоз-

лектронной эмиссиям и спектроскопии поверхности твердого тела: Тезисы докладов.-Ташкент, 1990. -с.153-154.

5. Алтухов A.A., Жирнов В.В., Житковский В.Д., Иванов В.В. Исследование поверхности эпитаксиальных слоев C0SI2/SKIOO), полученных методами молекулярно-лучовой и твердофазной эпитаксии.//УН Всесоюзный симпозиум по вторичной электронной, фотоэлектронной эмиссиям и спектроскопии поверхности твердого тела: Тезисы докладов,-Ташкент, 1990.-с.155-156.

6. Алтухов A.A., Житковский В.Д., Жирнов В.В., Иванов В.В. Твердотельный детектор ионизирующих излучений,изготовленный по тех нологии МЛЭ//Техника средств связи,сер.ТП0.-1990.-вып.3.-с.25-28. .

7. Алтухов A.A., Жирнов В.В. Анализ морфологии и стехиометрии пленок CoSla /SI(IOO), полученных методами ТФЭ и РЭ.//Материалы II Всесоюзного межотраслевого совещания "Тонкие пленки в электронике".- Москва-Ижевск, 1991.-с. 15-22.

в. Алтухов A.A., Кирнов В.В., Житковский В,Д. Изменение оптических свойств флюорита при электронна* облучении.//Материалы II Всесоюзного межотраслевого совещания "Гонкий пленки в электровике",- Москва-Ижевск, 1991.-с. 60-64, -