ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 6, с. 55-59
УДК 538.91:535.42
ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ДИФРАКТОМЕТРИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОДНОМЕРНЫХ И ДВУМЕРНЫХ ПРЕЛОМЛЯЮЩИХ ЛИНЗ
© 2015 г. П. А. Ершов1, *, С. М. Кузнецов2, И. И. Снигирева3, В. А. Юнкин2,
А. Ю. Гойхман1, А. А. Снигирев3
1Балтийский федеральный университет им. И. Канта, 236000 Калининград, Россия 2Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН,
142432 Черноголовка, Россия 3European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), 38043 Grenoble, France *E-mail: fofan89@gmail.com Поступила в редакцию 10.09.2014 г.
Описаны результаты исследования нано-гетероструктуры кремний—германий (Si—Ge) с помощью преломляющей рентгеновской оптики. Были записаны и проанализированы картины дифракции около брэгговского отражения кремния 400 в фокальной плоскости преломляющих линз. Эксперимент был проведен в двух различных схемах: с помощью одномерной и двумерной составной рентгеновской преломляющей линзы.
Ключевые слова: гетероструктуры Si—Ge, одномерные и двумерные рентгеновские преломляющие линзы, трехкристальная рентгеновская дифрактометрия.
DOI: 10.7868/S0207352815060098
ВВЕДЕНИЕ
Одним из направлений развития нано- и микроэлектроники является создание трехмерных полупроводниковых структур малого размера. Примером использования таких технологий являются комплементарные матрицы металл—окисел—полупроводник (КМОП) для детектирования электромагнитного излучения, где на подложке расположены миллионы пикселей — полупроводниковых гетероструктур [1]. Для стабильной работы таких устройств необходима отработка технологии роста полупроводниковых элементов, что, в свою очередь, требует точных методов контроля и диагностики качества структур.
Для исследования нано-гетероструктур традиционно используется методика трехкристальной рентгеновской дифрактометрии, позволяющая получать карты обратного пространства высокого разрешения [2], по которым удается сделать выводы о кристаллическом совершенстве нано-ге-тероструктуры. С разработкой синхротронов третьего поколения стало возможным применение преломляющей рентгеновской оптики на всем оптическом пути от ондуляторов до детекторов и рентгеновских камер [3]. Наряду с традиционным использованием для фокусировки и коллимации излучения преломляющая оптика позволяет предложить пользователям источников синхро-тронного излучения новые методики дифракто-метрии и микроскопии [4, 5].
Ранее нами были предложены преломляющие рентгеновские линзы в качестве фурье-анализатора, позволившего исследовать различные типы периодических одномерных кремниевых микроструктур в условиях брэгговского отражения [6]. В настоящей работе мы наблюдали дифракцию от субмикронной двумерной периодической решетки гетероструктуры 81—Ое, сформированной на кремниевой подложке. Для этого нами были использованы одномерные и двумерные составные преломляющие рентгеновские линзы, формирующие линейное или точечное фокальное пятно соответственно.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА
Эксперименты были проведены в Европейском центре синхротронного излучения (Б8ЯР) на станции ГО06. В качестве оптических элементов были использованы трансфокатор [7] с 13 линзами (радиус кривизны 200 мкм) и сборка из 50 берил-лиевых преломляющих линз (радиус кривизны 50 мкм). Для записи изображений использовали высокоразрешающую рентгеновскую ПЗС-каме-ру Вешкаш с размером пикселя 0.645 мкм и полем в 1376 х 1040 пикселей.
В качестве объекта исследования служила на-но-гетероструктура 81—Ое [2], представляющая собой германиевые нанокристаллы, выращенные на решетке из кремниевых пилларов (столбиков) с периодом 360 нм в плоскости кристалла
Параметры экспериментов
Схема измерений Энергия излучения, кэВ Расстояние до источника L, м Фокусное расстояние f, см Расстояние от образца до камеры r, см
"А". Трансфокатор перед образцом, линейная фокусировка "В". 50 бериллиевых линз перед образцом, точечная фокусировка 24 14 39 57 1965 149 35 42
81(110) (рис. 1). Пиллары, шириной 90 нм и длиной 150 нм, были получены по технологии В1СМО8 [8] на подложке 81(001). Структура была изготовлена в центре 1НР (Франкфурт-на-Одере, Германия). Образец, представляющий собой пластину размером 20 х 20 мм, исследовался с применением двух различных схем измерения (рис 2): "А" и "В". В схеме "А" был использован трансфокатор, находящийся ближе к источнику (таблица). Такое расположение фокусирующего элемента позволяет
Рис. 1. Схематическое изображение исследуемой на-но-гетероструктуры Si—Ge.
уменьшить угловую апертуру со стороны изображения в горизонтальном направлении по сравнению с несфокусированным излучением, что дает возможность уменьшить инструментальный вклад в кривую качания кристалла. Фокусировка проводилась в вертикальном направлении. При измерении в схеме "В" мы использовали сборку из 50 бериллиевых линз, находящихся ближе к образцу. Излучение фокусировалось как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении.
В общих случаях плоскость подложки 81(001) была повернута на угол 9, а камера устанавливалась под углом 29 по отношению к направлению падающего излучения (рис. 2). Угол 9 соответствовал брэгговскому отражению 400 от поверхности образца 81. На рентгеновской камере записывалась серия изображений при разных углах отстройки Д9 от угла 9.
ИЗМЕРЕНИЯ ПО СХЕМЕ "А"
При фокусировке с помощью трансфокатора была просканирована область около отражения 81 400 Дд = ±8.30 мкм-1 с шагом 8д = 0.83 мкм-1 (рис. 3). Для этого в трансфокаторе были установлены картриджи с 12 преломляющими линзами с радиусом кривизны 200 мкм и одной преломляю-
Камера
Рис. 2. Две схемы эксперимента: "А" — линейная фокусировка с помощью трансфокатора; "В" — точечная фокусировка с помощью сборки из 50 бериллиевых линз (вид сверху).
ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ДИФРАКТОМЕТРИЯ
57
(а)
100 мкм
I_I
£
о о я <ч
о Я
В
Я
я «
се Я
я
се <ч о т Я Ч се
м
Л
О
(б)
0
-0.0010 -0.0005 0 „ 0.0005 0.0010 qz, А
Рис. 3. Изображение, полученное на ПЗС-камере, и ортогональные проекции при повороте кристалла (а); анализируемая кривая качания 81 400 (б) (схема "А").
q
7
X
У
У
X
q
7
Рис. 4. Картина дифракции, формируемая при отстройке кристалла от пика кремния 400 на Aqz = фурье-компонент Т = 55 мкм.
-0.0086 А-1. Период
щей линзой с радиусом кривизны 500 мкм . В этой области не обнаружены дифракционные пики (или ненулевые фурье-компоненты), обусловленные субмикронной структурой образца. При отстройке кристалла на Aq = 86 мкм-1 (рис. 4) ненулевые фурье-компоненты начинают проявляться. Согласно соотношению между периодом наблюдаемой картины Ти периодом решетки й [9]:
й = Хг/Т,
(1)
где Х — длина волны, г — расстояние от образца до детектора. Период решетки й составил 341 ± 30 нм (при периоде фурье-компонент Т = 55 мкм). Ошибка в оценке периода связана в основном с точностью определения расстояний между объектом и камерой.
На изображении, получаемом на камере, также присутствуют искажения картины, связанные с наличием дефектов в образце, которые дают контраст на наблюдаемых фурье-компонентах. Отсюда следует, что использование трансфокатора позволяет в одном из направлений сделать фурье-преобразование, а в другом получить топографическое изображение анализируемой области, ограниченное проекцией источника.
ИЗМЕРЕНИЯ ПО СХЕМЕ "В"
При фокусировке с помощью 50 бериллиевых линз была просканирована область около пика 81400 Aq = ±15 мкм-1 с шагом Sq = 1 мкм-1 (рис. 5). В отличие от варианта "А", фурье-компоненты на-
(а)
100 мкм
I_I
р
о
Я
0.00150 0
-0.00075 о 0.00075 Яе А
0.00150
Рис. 5. Картина дифракции на ПЗС-камере и ортогональные проекции при повороте кристалла (а); анализируемая кривая качания кремния 400 (б) (схема "В").
Я
7
X
У
У
X
Я
7
Рис. 6. Измерения по схеме "В": изображение на ПЗС-камере в точном условии брэгговского отражения 81 400 с использованием блокатора излучения.
блюдаются в точном условии Брэгга для отражения кремния 400. Причина такого отличия связана с тем, что в случае "В" излучение также фокусируется в плоскости дифракции, что дает возможность наблюдать картину дифракции в диапазоне углов падения излучения. Диапазон углов 89 (рис. 2) "В" определяется эффективной апертурой Аэф и фокусным расстоянием/линзы:
89 = Аэф//. (2)
Для варианта "В" 50 бериллиевых линз с радиусом кривизны 50 мкм при энергии излучения Е = = 14 кэВ (Аэф = 645 мкм) и фокусном расстоянии 149 см дают диапазон углов 89 = 0.0248 град, что в пересчете на вектор обратного пространства соответствует Дя = 62 мкм-1. Таким образом, наблю-
даемая на детекторе картина есть суперпозиция картин, получающихся при различных условиях падения излучения на образец. При этом в плоскости дифракции от нулевой фурье-компоненты отходит интенсивная линия в сторону малых углов падения излучения 9. Она определяет отражения от деформированных кремниевых пилларов, у которых параметр решетки больше, чем у подложки кремния, что подтверждается опубликованными данными трехкристальной дифракто-метрии от аналогичного образца [2].
При использовании блокатора излучения, представляющего собой непрозрачный для рентгеновского излучения цилиндр диаметром 72 мкм, размещенный непосредственно перед детектором на тонкой проволоке диаметром
ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ДИФРАКТОМЕТРИЯ
59
13 мкм, были обнаружены фурье-компоненты, образующие двумерную периодическую картину (рис. 6). Период картины вдоль направления у составил Ту = 104 ± 2 мкм, что соответствует периоду решетки й = 358 ± 30 нм, согласно формуле (1). Период вдоль направления х отличается от периода вдоль направления У. В связи с тем что образец повернут на угол 9 = 19.16 град, наблюдаемая картина вдоль направления х искажена и является проекцией на плоскость падения излучения. Период Тх пе-ресчитывается по следующей формуле:
Tx = Т'х sin0,
(3)
где t' — наблюдаемый период вдоль направления х.
Тогда, если T' = 314 мкм, то Тх = 103 ± 2 мкм, что соответствует периоду Ty. Полученные данные полностью коррелируют с номинальными значениями в пределах
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.