ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 12, с. 90-94
УДК 533.537
ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ НАНОИЛЕНОК НА ПОВЕРХНОСТИ CaF2 ПРИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ И ПОСЛЕДУЮЩЕМ ОТЖИГЕ
© 2004 г. Б. Е. Умирзаков, А. К. Ташатов, Д. А. Ташмухамедова, М. Т. Нормурадов
Ташкентский государственный технический университет, Ташкент, Узбекистан
Поступила в редакцию 10.09.2003 г.
Изучена динамика изменения электронных свойств и кристаллической структуры пленок CaF2/Si (111) при ионной имплантации и последующем отжиге. Установлены оптимальные режимы ионной имплантации и отжига, позволяющие получить трехкомпонентные нанопленки и нанокристаллы.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы наиболее перспективным методом создания новых материалов микро- и нано-электроники является метод ионной бомбардировки [1—4]. В случае полупроводников (81, ваЛв, ваР) и диэлектрических пленок (СаР2, 8Ю2, ВаБ2) низкоэнергетическая ионная имплантация в сочетании с отжигом позволяет получить тонкопленочные (й = = 5-50 нм) многокомпонентные гетероэпи-таксиальные структуры, пленки с переменным элементным составом (с вариацией ширины запрещенной зоны), диффузионные барьеры и ультратонкие контакты [4, 5]. Эти пленки могут применяться при создании различных приборов твердотельной электроники (транзисторов СВЧ-диапазона, уникальных приборов микро- и оптоэ-лектроники, солнечных элементов, резонаторов, датчиков излучения в широком диапазоне, лазеров и др.). Кроме того, результаты исследования влияния ионной имплантации в матрицы различной природы и состава очень важны для выявления процессов, происходящих при взаимодействии заряженных частиц и электромагнитного излучения со стенкой ядерного реактора и космических аппаратов.
Однако систематические исследования, направленные на создание ряда наноразмерных пленок и структур в приповерхностных слоях материалов различной природы, особенно в диэлектрических пленках, методом ионной имплантации и детальное изучение их физико-химических свойств, до настоящего времени практически отсутствовали. Интерес к нанокристаллам появился и непрерывно растет в последние годы.
В данной работе приведены экспериментальные результаты по изучению электронных свойств пленок СаР2/81 (111), полученных методом молекуляр-но-лучевой эпитаксии (МЛЭ), и по выяснению возможности создания в их приповерхностной области трехкомпонентных соединений типа Са-Ва-Б2 методом ионной имплантации и последующего отжига.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Технологическая обработка (ионная имплантация, отжиг) и исследование структуры и свойств образцов проводились в одном и том же высоковакуумном (Р < 10-6 Па) экспериментальном приборе, состоящем из двух смежных камер [5]. Ионная пушка формировала моноэнергетический пучок с плотностью тока ] = 0.5-20 мкА ■ см2 в области энергий Е0 = 0.5-5 кэВ. Прогрев при каждой температуре продолжался в течении 30 мин. Измерения проводились после остывания мишени до комнатной температуры.
Элементный и химический состав определялся методом оже-электронной спектроскопии (ОЭС). Исследования электронной структуры проводились методами ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии и спектроскопии упруго отраженных электронов. Степень разупорядоче-ния поверхности монокристаллической пленки СаБ2 при ионной имплантации и его кристаллизация при отжиге, тип и параметры решетки изучались методом дифракции быстрых электронов (ДБЭ) на стандартной установке. При снятии картин ДБЭ пучок электронов с энергией 75 кэВ направлялся на поверхность мишени под углом ~ 10. Исследования топографии поверхности проводились методом растровой электронной микроскопии в электронном микроскопе "Сатеса".
Для уменьшения зарядки поверхности использованы сверхтонкие пленки СаБ2/81 (111) толщиной й = 500-800 А, и при необходимости ионная имплантация и измерения свойств осуществлялись при нагретой до температуры 550-600 К мишени.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Были исследованы электронные свойства эпи-таксиальных пленок СаБ2/81 (111). Перед измерениями поверхность этих пленок очищалась отжи-
(а)
ёЫ/ёЕ, отн. ед.
ФЭС СаБ^КШ)
2р1/2Б ёп = 500 А
(б)
ёЫ/ёЕ, отн. ед.
СХПЭ
16
24
32
40
48
5
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0
Ет эВ
Рис. 1. Спектры фотоэлектронов (а), характеристических потерь энергии электронов (б), зависимости - dR/dEП и 5 от Еп (в) для хорошо очищенной пленки Са?2; d - толщина пленки; V - частота; ю - циклическая частота.
Еп = 300 эВ
0
8
гом при Т = 850°С. Фотоэлектронные и вторично-эмиссионные спектры "чистой" пленки СаБ2 представлены на рис. 1. Спектры фотоэлектронов снимались при энергиях фотонов Н\ = 10.8 эВ и 21.2 эВ. При этом за начало отсчета энергии связи электронов Есв принят уровень вакуума. Видно, что в интервале до Есв = -10 эВ число фотоэлектронов очень мало. В этой области спектра наблюдаются малоинтенсивные пики с энергией связи Евсв = -3.5 и -7 эВ, обусловленные наличием примесных уровней. Резкое увеличение числа фотоэлектронов наблюдается при Есв = (9.5-10) эВ, что соответствует возбуждению электронов из валентной зоны. В области Есв от -10 до -15 эВ имеется ряд особенностей, которые отражают форму энергетического распределения валентных электронов. Известно, что верхняя часть валентной зоны образуется из 2р-уровней фтора, а нижняя часть зоны проводимости - из 3d- и 4^-состояний ионов кальция [6].
В спектре характеристических потерь энергии электронов (ХПЭЭ) имеются пики потерь при энергиях 4, 7, 10.5, 14, 18 и 20.5 эВ. Видно, что с ростом энергии первичных электронов Еп интенсивность пика 14 эВ уменьшается, а пика 20.5 эВ возрастает. Одновременно происходит смещение положения этих пиков в сторону больших энергий на 1-2 эВ. Поэтому наличие указанных пиков объясняется возбуждением поверхностного (14 эВ) и объемного (20.5 эВ) плазмонов. Пики с АЕ = 4 эВ и 7 эВ, по-видимому, обусловлены переходами электронов из поверхностных состояний и примесных уровней в вакуум. Слабые пики, наблюдаемые при энергиях 11 и 18 эВ, вероятно, возникают вследствие межзонных переходов с участием валентных электронов.
Высокоэнергетический край фотоэлектронного спектра примерно совпадает с порогом эмиссии истинно-вторичных электронов. Это приблизительно совпадает с величиной работы выхода
Энергия пиков спектров фотоэлектронов, характеристических потерь энергии и упругоотраженных электронов для СаБ2
УФЭС СХПЭ йЯ/йЕп (максимумы) Оптические переходы "заполненные состояния-зона проводимости" [7]
Есв, эВ Интерпретация ДЕ, эВ Интерпретация Еп, эВ Возможный переход Е, эВ Уровень Переходы
3.5 -7 -12 -14 ПУ ПУ 2Л/2р 2Р3/2Р 4 7 10.5 14 18 20.5 Епр! — ЕВ Епр2 — ЕВ EV1 Ес hюs Ev2 — Е* hюv 7.3 12.5 16 19 23 29 33 35.5 Епр " Ес Ev1 — Е, ЕУ1 — Е* Ev2 — Е* Е — Ев) х 2 3рСа —► Ев 3рСа* —► Е* 2^ —► Ев 11.7 12.3 13.0 15 19.7 25 30 34.5 2р¥ 2р¥ 2р¥ 2р¥ 2р¥ 2р¥ 2рСа 2^ Г15 — Г1 Г15 ~ Г12 Г15 " Г25 Х 2 " Х1 Ь2 " Ь1
Епр - энергия примесных уровней. В нашем случае % = Ев - Ес = 1 эВ. ПУ - примесные уровни. Г, X, Ь - энергетические состояния в точках высокой симметрии; V - частота.
фотоэлектронов СаБ2: еф = 9.5-10 эВ. При переходе электронов из валентной зоны и остовных уровней в зону проводимости в спектре упруго-отраженных электронов - ЖМЕп(Еп) (первая производная зависимости коэффициента упругоотраженных электронов Я от Еп) появляются максимумы. Энергетические положения возможных переходов на рис. 1 отмечены вертикальными линиями. Процессы межзонных переходов приводят к появлению особенностей и на кривых зависимостей коэффициента истинно-вторичных электронов 5 от Еп. В случае перехода возбужденных электронов в свободные состояния, лежащие выше уровня вакуума, происходит быстрый рост, а в случае перехода этих электронов ниже уровня вакуума скорость роста 5 замедляется, и на кривой 5(Еп) появляются ступеньки. Энергия пиков, появляющихся в фотоэлектронном спектре (ФЭС), спектре ХПЭЭ и спектре упругоотраженных электронов (СУОЭ) и возможные механизмы появления пиков приведены в таблице. Видно, что основные электронные переходы, определенные нами, удовлетворительно согласуются с литературными данными, полученными оптическими методами для массивных образцов СаБ2 [6].
Затем в эпитаксиальные пленки СаР2/Б1 (111) имплантировались ионы Ва+ с Е0 = 0.5 кэВ с разными дозами (рис. 2). При имплантации ионов на поверхности СаБ2 сначала (при Б = 1014 см2) появлялись отдельные точки с размерами ~5-10 нм. С ростом дозы ионов вблизи этих точек появлялись аналогичные кластерные фазы и формировались отдельные кластерные участки (островки). При дозе (4-6) х 1014 см-2 размеры этих участков доходили до 100-500 нм. При этом наблюдалась полная аморфизация поверхности СаБ2. Дальнейшее увеличение дозы ионов приводит к росту размеров
кластерных фаз, и при дозе Б = (2-6) х 1016 см2 происходило перекрывание островков. Результаты ОЭС показали, что при этом концентрация бария в приповерхностной области составляет 35-40 ат.%, 25-30% атомов, Ва образуют химические соединения типа СахВа1 - ХБ2.
Для рекристаллизации поверхности после ионной имплантации проводился постимплантацион-ный отжиг. Установлено, что при температуре Т = = 1000 К на поверхности СаБ2, имплантированной ионами Ва+ с низкой дозой (4-6) х 1014 см-2, образуются островки (нанокристаллы) Са04Ва06Р2, а при легировании высокими дозами Ва+ (2 х 1016 см-2) -сплошная пленка этого соединения толщиной 5060 А.
На рис. 3 приведена динамика изменения кривой энергетического распределения (КЭР) фотоэлектронов для СаБ2, легированного ионами Ва+ с Е0 = 0.5 кэВ, в результате отжига. Из рисунка видно, что ионная имплантация приводит к уширению кривой энергетического распределения, смещению начала спектра в сторону больших энергий, изменению формы и положения основных пиков и появлению новых пиков. Изменение основного пика кривой энергетического распределения фотоэлектронов, вероятно, связано с частичной заменой кальция атомами бария, а уменьшение его интенсивности - увеличением концентрации избыточных атомов металлов. Отметим, что в запрещенной зоне нелегированного СаБ2 на расстоянии 2.5 эВ от верхнего края вале
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.