КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 5, с. 802-805
ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 539.231:535.016
САПФИРОВЫЕ ПОДЛОЖКИ С РЕГУЛЯРНЫМ РЕЛЬЕФОМ
НА ПОВЕРХНОСТИ
© 2014 г. А. В. Буташин, В. М. Каневский, А. Э. Муслимов, А. Л. Васильев*, Ю. Н. Эмиров**,
Е. В. Ракова, А. С. Голубева, А. М. Клевачев
Институт кристаллографии РАН, Москва, Россия
E-mail: amuslimov@mail.ru * НИЦ "Курчатовский институт ", Москва, Россия ** Международный университет Флориды, Майами, США Поступила в редакцию 07.04.2014 г.
Предложена методика получения регулярного рельефа в виде правильной двумерной системы выступов высотой 25 нм на поверхности сапфировых пластин, позволяющая исключить трудоемкую стадию литографии. Применение сеток в качестве трафарета позволяет формировать регулярный рельеф на сапфировых подложках любой площади. Детально изучена структура кристаллических пленок, получаемых напылением металлического алюминия на сапфировые подложки с последующим окислением и отжигом, и проведено ее сравнение с наноструктурированной поверхностью сапфировых (0001) пластин в виде регулярных ступеней высотой до 5 нм с атомно-гладкими террасами.
DOI: 10.7868/S0023476114050026
ВВЕДЕНИЕ
В ходе развития эпитаксиальных технологий выяснилось, что применение сапфировых подложек с регулярным микро- и нанорельефом на поверхности вместо подложек со сверхгладкой поверхностью в ряде случаев приводит к заметному повышению структурного совершенства наращиваемых кристаллических пленок полупроводниковых соединений [1—6]. В нанотехнологиях такие подложки пригодны для формирования на них упорядоченных ансамблей наночастиц металлов, полупроводниковых нанопроводов и углеродных нанотрубок [7—9].
Регулярный рельеф на поверхности сапфировых подложек в виде атомно-гладких террас и ступеней нанометровых размеров может быть получен путем их отжига на воздухе при температурах >1000°С [1, 10, 11]. При этом поверхность подложки должна быть вицинальной, т.е. ее плоскость должна быть наклонена к основной кристаллографической грани, например (0001), на угол в диапазоне от нескольких минут до нескольких градусов. Для создания регулярного микро- и нанорельефа желаемых конфигурации и размера также используют литографию с последующим вытравливанием поверхности подложки в окнах маски [2, 4] или наращиванием слоев сапфира на ее поверхности [5].
В настоящей работе проведены эксперименты по формированию на сверхгладкой поверхности сапфировых подложек регулярного микрорельефа с применением вакуумного напыления метал-
ла через стандартные трафареты (без применения литографии) и последующего отжига. Для детальной характеризации выращенных таким образом слоев сапфира на одноименной подложке использованы более информативные, чем в [5], методы дифракции электронов и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ВРЭМ).
ЭКСПЕРИМЕНТ
Подложки диаметром около 20 мм вырезали из стандартных сапфировых пластин производства ИК РАН с односторонней химико-механической полировкой до средней шероховатости поверхности не более 0.3 нм. Поверхность подложек отклонялась от кристаллографической плоскости (0001) на углы от 0.1° до 3°.
Регулярный микрорельеф на поверхности сапфировых подложек получали путем вакуумного напыления металлического алюминия через трафареты с диаметром отверстий в диапазоне 0.2— 40 мкм (металлические сетки, полимерные пленки с отверстиями — так называемые "ядерные фильтры") и их последующего отжига на воздухе при 1400°С в течение 1 ч. Высоту выступов ограничили величиной 50 нм, чтобы избежать образования каверн у границы раздела "пленка А1203/подложка А1203", как это наблюдалось при окислении пленки металлического алюминия толщиной 100—1000 нм на сапфировой подложке [12].
САПФИРОВЫЕ ПОДЛОЖКИ С РЕГУЛЯРНЫМ РЕЛЬЕФОМ НА ПОВЕРХНОСТИ
803
нм 1004
нм 22
20
18
16
14
12
10
20
40
60
80
100
мкм
Рис. 1. АСМ-изображение (а) и профиль сечения (б) микрорельефа на поверхности сапфировой пластины, полученного методом вакуумного напыления металла через трафарет с последующим отжигом при 1400°С на воздухе. На врезке АСМ-изображение боковой поверхности элемента шаблона.
Для рекристаллизации поверхности подложек и формирования на ней ступенчатой наноразмер-ной структуры с террасами из атомно-гладких граней (0001) образцы отжигали на воздухе или в вакууме при температуре 1000°С и выше [11].
Для определения фазового состава и ориентации кристаллических пленок использовали дифракцию электронов высокой энергии (Е = 75 кВ) на отражение. Морфологию поверхности сапфировых подложек и выращенных пленок исследовали в режиме топографии на атомно-силовом микроскопе "Ntegra Aura" (НТ-МДТ, Зеленоград).
Детали кристаллического строения слоев А1203, образующих регулярный рельеф на сапфировых подложках, изучали методом ВРЭМ. Для этого в растровом электронно-ионном микроскопе (РЕИМ) "Helios" (FEI, США) по стандартной методике были приготовлены поперечные срезы структур "пленка А1203/подложка А1203". Перед началом процедуры на поверхность сапфира для его защиты с помощью газовой инжекци-онной системы наносилась пленка Pt толщиной 0.5—1 мкм. Поперечные срезы изучались в про-
свечивающем/растровом электронном микроскопе (ПЭМ/ПРЭМ) "Titan 80-300" (FEI, USA) с ускоряющим напряжением 300 кВ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При формировании регулярного микрорельефа путем наращивания наилучшие результаты были получены при использовании в качестве трафарета стандартной металлической сетки с размером отверстий около 25 мкм (рис. 1). Чтобы уменьшить размер выступов микрорельефа в качестве трафаретов, испытали тонкие полимерные пленки с круглыми отверстиями диаметром 5 и 0.2 мкм, которые используются как "ядерные фильтры". Однако они оказались непригодными для этих целей из-за стохастического характера ориентации и распределения отверстий.
Картины дифракции быстрых электронов от сплошной пленки, полученной с использованием этой техники, свидетельствуют о том, что пленка представляет собой мозаичный кристалл сапфира, но его структурное совершенство значительно уступает подложке (рис. 2). Действительно, элек-
0
Рис. 2. Электронограммы сапфировой (0001) подложки после химико-механической полировки (а), отожженной на воздухе (б) и нанесенной на подложку пленки (в).
804 БУТАШИН и др.
1С*
Рис. 3. Светлополное изображение структуры сапфировой подложки у ее поверхности в просвечивающем электронном микроскопе (а) и соответствующий двумерный спектр Фурье (б).
тронограмма от подложки характеризуется наличием кикучи-линий (рис. 2а, 2б), в то время как на электронограмме пленки кикучи-линии отсутствуют, точечные рефлексы имеют круглую форму (рис. 2в). Косвенным подтверждением кристаллического совершенства получаемой пленки А1203 также является наличие террасно-ступенча-той наноструктуры на боковых гранях элементов шаблона (врезка на рис. 1а). Пленка А1203 ориентирована плоскостью (0001) параллельно подложке. Тяжи вдоль нормали к поверхности образца являются признаками двумерной дифракции электронов на ее гладких участках.
Подобный результат был получен и при исследованиях методом ПЭМ. Сравнение светлополь-ных изображений сапфировой подложки и пленки, полученных методом ВРЭМ и соответствующих двумерных преобразований Фурье (рис. 3, 4), демонстрирует в первом случае высокое качество подложки сапфира, во втором заметно мозаичное строение полученной сапфировой пленки с размером блоков мозаики 5—10 нм.
Отметим, что после отжига при 1400°С в течение 1 ч на сверхгладкой поверхности (0001) сапфировых пластин формируется отчетливый нано-рельеф с высотой ступеней до 7 нм (рис. 5, 6) при сохранении высокого структурного совершенства кристалла (рис. 2б). Такая активность процессов рекристаллизации поверхности сапфировых подложек обусловлена определяющей ролью поверхностной диффузии атомов, энергия активации которой примерно втрое превосходит энергию
Рис. 5. АСМ-изображение (а) и профиль сечения (б) поверхности сапфировой пластины с отклонением на 3.0° относительно плоскости (0001) после отжига при 1400°С на воздухе.
САПФИРОВЫЕ ПОДЛОЖКИ С РЕГУЛЯРНЫМ РЕЛЬЕФОМ НА ПОВЕРХНОСТИ
805
активации объемной диффузии атомов в монокристаллах сапфира [11].
Наблюдаемая мозаичность пленок, получаемых напылением металлического алюминия на сапфировые подложки с последующим окислением и отжигом, может быть обусловлена тем, что время отжига (1 ч) и температура (1400°С) недостаточны для полного протекания диффузионных процессов в твердой фазе при кристаллизации сапфира. Рекристаллизация таких пленок после окисления происходит преимущественно за счет объемной диффузии атомов. В соответствии с соотношениями Эйнштейна и Аррениуса, с учетом упомянутой разницы энергий активации поверхностной и объемной диффузии для получения монокристаллических сапфировых пленок необходимы более длительные отжиги при более высоких температурах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Модифицирована методика получения регулярного рельефа на поверхности сапфировых пластин, что позволило исключить трудоемкую стадию литографии. Применение сеток в качестве трафарета позволяет формировать регулярный рельеф на сапфировых подложках любой площади. Методами электронографии и электронной микроскопии детально изучена структура кристаллических пленок А1203, получаемых напылением металлического алюминия на сапфировые подложки с последующим окислением и отжигом. Для получения более совершенных кристаллических пленок А1203 необходимо увеличение температуры и времени отжига.
Авторы выражают благодарность А.Н. Дерябину, А.Б. Васильеву за помощь в работе.
Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП ИК РАН при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 14-12-00081.
ТВ
тшт
н|| тМтниин. til 1НМЖПЖ'М(1'1 ijllJHjiffWW'I'bl!!
щш
t'!H!l
кш!
Нй кип № >
2 нм
Рис. 6. Светлопольное ВРЭМ-изображение одиночной ступени на поверхности сапфировой подложки после отжига.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Cui J., Sun A., Reshichkov M. et al. // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 2000. V. 5. P. 7.
2. Hsua Y.P., Changa S.J., Sua Y.K. et al. // J. Cryst. Growth. 2004. V. 261. P. 466
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.