ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 5, с. 52-60
УДК 548.734.4
РЕНТГЕНОДИФРАКЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ ГРАНАТА, АЛМАЗА И САПФИРА
© 2015 г. И. А. Прохоров1, *, В. Е. Асадчиков2, Б. С. Рощин2, В. И. Стрелов1,
В. Г. Ральченко3, А. П. Большаков3
Филиал Института кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН Научно-исследовательский центр "Космическое материаловедение", 248033 Калуга, Россия 2Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, 119333 Москва, Россия 3Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, 119991 Москва, Россия *E-mail: igor.prokhorov@mail.ru Поступила в редакцию 24.11.2014 г.
Структурные особенности синтетических монокристаллов граната, алмаза и сапфира исследованы неразрушающими методами двухкристальной рентгеновской дифрактометрии и топографии. Оптимизированы условия проведения дифракционных исследований кристаллов с использованием монохроматоров из Ge. Выявлены основные дефекты структуры (дислокации, дефекты упаковки, полосы роста, включения второй фазы и др.), возникающие в кристаллах в процессе их получения. Показана высокая эффективность использованных экспериментальных методов изучения реальной структуры при оптимизации технологии роста кристаллов.
Ключевые слова: двухкристальная рентгеновская дифрактометрия, топография, дефекты структуры монокристаллов.
DOI: 10.7868/S0207352815050108
ВВЕДЕНИЕ
Синтетические кристаллы гранатов, алмаза и сапфира, благодаря уникальным свойствам этих материалов — высокой твердости, химической и радиационной стойкости, прозрачности, малому коэффициенту теплового расширения — находят широчайшее применение в различных областях науки и техники. В частности, монокристаллы га-долиний-галлиевого граната 0ё30а5012 и сложно-замещенные гранаты на его основе используются при создании высокоэффективных твердотельных лазеров [1]. Подложки из сапфира (а-А1203) находят широкое применение в микроэлектронике для получения эпитаксиальных слоев КНС (кремний на сапфире), ОаМ, 1пМ, АВД, ОаР, для производства интегральных схем, высокоинтенсивных светодиодов (зеленого, синего и белого свечения), лазерных диодов и СВЧ-транзисторов [2—4]. Кроме того, синтетические монокристаллы алмаза и сапфира рассматриваются как перспективные для использования в качестве монохроматоров и оптических элементов для нового поколения синхротронных источников с исключительно высокими потоками излучения [5—7]. При этом, как правило, предъявляются чрезвычайно высокие требования к однородности кристаллов и их структурному совершенству. Для характеризации кристаллов с высоким структурным совершенством необходимо использовать адекватные вы-
сокочувствительные методы изучения реальной структуры кристаллов.
В настоящей работе обобщается опыт практического применения высокочувствительных неразру-шающих методов двухкристальной рентгеновской дифрактометрии и топографии при совершенствовании технологии получения высокооднородных синтетических кристаллов гранатов, сапфира, алмаза. Оптимизированы условия проведения дифракционных исследований кристаллов с использованием монохроматоров из Ое. Выявлены основные дефекты структуры (дислокации, дефекты упаковки, макронеоднородности распределения состава, полосы роста, включения второй фазы), возникающие в кристаллах в процессе их получения.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования методами двухкристальной рентгеновской дифрактометрии и плосковолновой топографии на отражение проводили на двух-кристальном рентгеновском дифрактометре в Си^а1-излучении. Известно, что эффективность указанных методов существенно возрастает при использовании бездисперсионной (п, -п) установки кристаллов. Однако высокая твердость алмаза и сапфира затрудняет изготовление из этих материалов прецизионно ориентированных сильно асимметричных кристаллов-монохрома-торов. Кроме того, кристаллы алмаза, сапфира и
граната (по крайней мере, на начальных этапах отработки технологии выращивания) по структурному совершенству, как правило, уступают элементарным полупроводникам Ое и 81. В этой связи в настоящей работе для расширения пучка и формирования почти плоской волны использовали сильно асимметричные отражения от моно-хроматоров из высокосовершенного бездислокационного германия. Использовали отражения типа 511 (угол Брэгга 9 ~ 45.07°, фактор асимметрии отражения Ь ~ 0.01, расходимость пучка после монохроматора ~0.5") и 620 (угол Брэгга 9 ~ ~ 59.52°, фактор асимметрии отражения Ь ~ 0.06). Исследования кристаллов проводили в отражениях, хорошо согласующихся по брэгговскому углу с отражением от монохроматора. Применение сильно асимметричной дифракции на кристалле-монохроматоре позволило свести к минимуму влияние эффекта свертки. Использованный метод позволяет с высокой чувствительностью выявлять структурные дефекты в приповерхностной области кристаллов толщиной до нескольких десятков микрон. Топографические исследования проводили в широком пучке с использованием щели шириной ~0.5 см. При дифрактометриче-ских исследованиях использовали одинарную щель. Измерения с использованием двойной щели [8] позволяли определять радиус кривизны пластин с чувствительностью до Я ~ 1 км.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Рентгенодифракционная характеризация реальной структуры монокристаллов гадолиний-галлие-вого граната. Впервые рассмотренные выше методы мы начали применять при исследовании монокристаллов гадолиний-галлиевого граната 0ё30а5012 (ГГГ), когда в семидесятые годы прошлого века возникла острая потребность в высокооднородных бездислокационных кристаллах ГГГ для использования в качестве материала подложек при получении эпитаксиальных феррит-гранатовых пленок с цилиндрическими магнитными доменами [9]. Нахождение в составе ГГГ тяжелых металлов приводит к сильному поглощению рентгеновского излучения, что практически исключает возможность использования топографических методов на просвет [10].
Объектами исследования были монокристаллы ГГГ диаметром 20—110 мм, выращенные из расплава методом Чохральского в кристаллографическом направлении (111). Для проведения исследований монокристаллические слитки разрезали на пластины ориентацией {111} перпендикулярно оси роста и {211} — параллельно направлению выращивания. Для удаления нарушенного слоя пластины обрабатывали по стандартной технологии с финишной химико-механической полировкой. Использование отражения 888 от кристалла граната и 620 от монохроматора, а также
(а)
А
ю
(б)
Рис. 1. Двухкристальные рентгеновские топограммы монокристалла гадолиний-галлиевого граната, выращенного из расплава с 5% избытком 0а20з (а), и в окрестности области зарождения грани {110} (б). СиХ^-излучение, отражение 880, юв-геометрия дифракции, ориентация пластин (111). Здесь и далее точкой отмечено угловое положение образца в процессе экспозиции. Показана проекция вектора дифракции на плоскость топограмм.
880 от исследуемых образцов и 511 от германиевого монохроматора при топографических исследованиях обеспечивало практически бездисперсионную схему дифракции. В качестве примера нарис. 1а представлена двухкристальная топо-грамма монокристалла 0ё30а5012, выращенного из расплава с 5% избытком 0а203 на этапе отработки технологии роста. Отчетливо выявляются полосы роста, выделения второй фазы и макронеоднородность распределения состава, обусловленная проявлением "эффекта грани". В процессе роста на фронте кристаллизации появляются макроскопические грани {211} и {110}, с развитием которых связано формирование центральной
(а) (б)
-А .Д.
ю ю >
Рис. 2. Особенности реальной структуры сильно дефектного НРНТ-кристалла алмаза типа 1Ь. Двухкристальные рентгеновские топограммы алмазной пластины ориентации (001), полученные на левом (а) и правом (б) склонах кривой качания (СиХГа1-излучение, отражение 113, юв-геометрия дифракции, контраст обратный). Выявляется макронеоднородность распределения периода кристаллической решетки по площади пластины, дислокации (показаны белой стрелкой), полосы роста (черная стрелка), границы между секторами роста, включения второй фазы (пунктирная стрелка) и ряд других дефектов.
трехлепестковой части и округлых пятен на периферии соответственно. С увеличением содержания Оё в кристалле плотность выделений второй фазы уменьшается, однако возрастает несоответствие периодов кристаллических решеток между ограненными участками и остальной частью кристалла. Это приводит к росту макронапряжений и растрескиванию кристаллов. Анализ рентгеното-пографического изображения полос роста позволяет выявить морфологические особенности фронта кристаллизации на начальном этапе зарождения граней (рис. 1б) и определить режимы роста, при которых огранение кристалла на фронте кристаллизации не происходит.
В результате проведенных исследований установлено, что для получения наиболее совершенных по структуре монокристаллов ГГГ необходимо проводить процесс роста из расплава с избыточным содержанием 0ё203, соответствующим составу 0ё340а46012 (для предотвращения выпадения второй фазы), поддерживая фронт кристаллизации близким к плоскому (для исключения "эффекта грани"), и с последующим продолжительным высокотемпературным отжигом кристаллов для снятия термоупругих напряжений. Оптимизация состава и технологии выращивания кристаллов на основе анализа рентгенодифракци-онных данных обеспечила получение высокосовер-
шенных бездислокационных монокристаллов га-долиний-галлиевого граната и сложнозамещен-ных гранатов на его основе для магнитооптики, СВЧ-техники, лазеров и других применений [1].
Структурные особенности HPHT-кристаллов и CVD-пленок алмаза. Исследованы монокристаллы синтетического алмаза, выращенные в аппаратах высокого давления (метод HPHT — high pressure, high temperature), эпитаксиальные пленки, полученные методом осаждения из газовой фазы (chemical vapor deposition — CVD) [11—13] и отделенные от HPHT-подложки, и двухслойные структуры CVD/HPHT. В качестве подложек для осаждения CVD слоев использовали пластины с линейными размерами ~4 х 4 мм2 и толщиной 0.5—0.9 мм, изготовленные из монокристаллов HPHT-алмаза типа Ib. Из-за присутствия примеси
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.