🗊Презентация Структурно-физические свойства пленок карбида кремния, синтезированных ионно-лучевыми методами

Казахстанско-Британский Технический Университет Структурно-физические свойства пленок карбида кремния, синтезированных ионно-лучевыми методами Ахметов Тимур Каримович Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, Бейсенханов. Н.Б. Иностранный научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, профессор МИЭТ РАН Герасименко Н.Н.

Актуальность темы Интерес к поверхностным нанаструктурам с их особыми свойствами значительно возрос в связи с широкими возможностями применения в микро- и оптоэлектронике. Достоинства SiC: 1) Высокая твердость (33400 Мн/м2), 2) Высокая температура плавления (2830°С), 3) Стойкость к химическим воздействиям, 4) Широкая запрещенная зона (2,3−3,3 эВ). Карбид кремния SiC используется при создании буров и нарезных дисков, в конструкции термоядерных реакторов, в составе композиционных жаростойких материалов, используемых в покрытиях корпуса космического корабля «Спейс Шаттл». Полевые транзисторы, диоды и другие электронные приборы на основе SiC обладают возможностями работы при температурах до 600ºС. Синтез SiC методом ионной имплантации способствовал созданию покрытий и изолирующих слоев SiC при изготовлении интегральных схем; а также наноструктурированных систем, содержащих включения кристаллов и кластеров Si, SiC и C, обеспечивающих за счет размерных эффектов люминесценцию во всей видимой области спектра. Легированные фосфором микрокристаллические сплавы μc-SiC:H и аморфный карбид кремния являются перспективными материалами для использования в качестве прозрачных проводящих слоев для окон в тонкопленочных солнечных элементах. Антиотражающие покрытия SiC могут повысить КПД солнечных батарей в 1,3 раза. Является актуальным изучение влияния концентрации компонентов, нанокластеров, фазового состава, метода получения пленок SiC и С, их термической обработки на процессы кристаллизации и кластеризации, размеры нанокристаллов и физические свойства пленок.

Цель работы Синтез и исследование оптических свойств, микроструктуры, фазового состава тонких пленок SiC и С на кремнии, синтезированных методами ионной имплантации, магнетронного или ионно-лучевого распыления, модифицированных различными условиями термической обработки. Основные задачи: 1)Синтез пленок карбида кремния многократной имплантацией ионов углерода с энергиями 40, 20, 10, 5 и 3 кэВ в тонких приповерхностных слоях кремния, а также на поверхности кремния методом ионно-лучевого распыления двухкомпонентной мишени из кремния и графита. 2)Изучение стабильности пленок SiC к окислению в условиях длительного высокотемпературного отжига. 3) Изучение влияния эффектов распыления и изменения состава слоя при высокодозовой имплантации углерода в кремнии на форму профиля распределения атомов углерода в кремнии . 4) Моделирование с помощью программ Henke, Henke-Gullikson и Release экспериментальных результатов полученных методом рентгеновской рефлектометрии по определению параметров пленок SiС и С, синтезированных методами ионной имплантации, ионно-лучевого и магнетронного распыления.

Синтез пленок Имплантация ионов 12C+ с энергиями 40, 20, 10, 5 и 3 кэВ была произведена при температуре 20ºC в монокристаллические подложки Si ориентации (100) и (111) с удельным сопротивлением 4–5 и 10 Ом·см, соответственно. Для предотвращения разогрева образца плотность ионного тока выдерживалась ниже 3 мA/см2. Отжиг образцов был выполнен в вакууме при температурах 1200 или 1250ºС в течение 30 мин. При синтезе пленок карбида кремния методом ионно-лучевого распыления для одновременного нанесения на кремниевые подложки атомов C и Si использовалась двухкомпонентная мишень из наложенных друг на друга пластин кремния и графита. Распыление пластин производилось в атмосфере аргона. Формирование пучка ионов Ar происходило в системе электродов и магнитов со скрещенными электрическим и магнитным полями. Мощность разряда была 108 Вт (2,7 кВ, 40 мА), давление аргона в камере 5,9×10-2 Пa, температура подложки – 20ºC. Образцы с пленками SiC были подвергнуты отжигу при температуре 1250ºC в атмосфере аргона в течение 30 мин. Углеродные тонкие пленки были получены методом реактивного магнетронного распыления. Для распыления была использована графитовая мишень диаметром ~ 50 мм и толщиной 3 мм. Параметры режима магнетронного распыления были: катодное напряжение Uк = 470 В, ток ионного пучка Iион = 35 мА и давление аргона в камере ~ 1 Па. Углеродные пленки осаждались на кремниевые подложки при температуре 75°С.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Параметры пленки исследованы методом рентгеновской рефлектометрии при малых углах скольжения θ путем регистрации угловой зависимости коэффициента отражения с использованием двух спектральных линий CuKα (0,154 нм) и CuKβ (0,139 нм) на установке “CompleXRay C6”. Состав и структура пленки после осаждения и отжига были также исследованы методом ИК-спектроскопии с использованием ИК-спектрометра Nicolet iS-50 (Thermo Scientific, USA). Структура слоев контролировалась методом рентгеновской дифракции с использованием узкоколлимированного (0.05·1.5 мм2) монохроматического (CuKα) пучка рентгеновских лучей, направленного под углом 5° к поверхности образца. Микроструктура поверхности имплантированного слоя исследовалась на атомно-силовом микроскопе JSPM5200 Jeol Japan с использованием полуконтактного (AFM AC) метода. Математическое моделирование данных рентгеновской рефлектометрии параметров пленок карбида кремния проводилось с помощью программ Henke, Henke-Gullikson и Release, которые позволяют получить теоретические кривые, близкие к экспериментальным.

СИНТЕЗ SiC МЕТОДОМ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ: ВЛИЯНИЕ ЭФФЕКТА РАСПЫЛЕНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА ПОВЕРХНОСТИ Si

К расчету толщины слоя кремния h, подвергшегося распылению в процессе синтеза слоя SiC0.7 методом ионной имплантации

Метод рентгеновской рефлектометрии применим для исследования тонких пленок карбида кремния, синтезированных методом ионной имплантации, ввиду наличия резкой границы «пленка SiC – подложка Si». Моделированием с помощью программы Release получена теоретическая кривая, близкая к экспериментальной и соответствую-щая системе с параметрами:

СТАБИЛЬНОСТЬ ПЛЕНОК SiC К ДЛИТЕЛЬНОМУ ОТЖИГУ

РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ МАЛЫМИ РАЗМЕРАМИ НАНОКРИСТАЛЛОВ SiC В ПЕРЕХОДНОМ СЛОЕ «ПЛЕНКА SiC– ПОДЛОЖКА Si»

СКОРОСТЬ ОКИСЛЕНИЯ SiC ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ ОТЖИГЕ

Синтезирована пленка β-SiC на подложке Si методом ионно-лучевого распыления двухкомпонентной мишени графита и кремния. Наличие резкой границы раздела «пленка SiC – подложка Si» позволяет обнаружить осцилляции интенсивности и определить толщину и плотность пленки методом рентгеновской рефлектометрии.

Рентгеновская рефлектометрия с использованием двух спектральных линий CuKα (0.154 нм) и CuKβ (0.139 нм) параметров пленок SiC0.87, после отжига при температуре 1250°С в течение 30 минут и травления в кислоте HF в течение 5 минут

Параметры углеродной пленки на подложке кремния, синтезированной магнетронным распылением

Определение плотности углеродного слоя методом рентгеновской рефлектометрии и с помощью программы Henke

1 Методом многократной имплантации ионов C+ в Si синтезированы слои SiС0.7 и SiС0.95. Установлено, что деформация профиля распределения атомов углерода по сравнению с расчетным профилем обусловлена эффектами распыления поверхности и изменением состава слоя при высокодозовой имплантации углерода в кремний. Определены коэффициенты распыления подложки Si ионами C+ различных энергий. 1 Методом многократной имплантации ионов C+ в Si синтезированы слои SiС0.7 и SiС0.95. Установлено, что деформация профиля распределения атомов углерода по сравнению с расчетным профилем обусловлена эффектами распыления поверхности и изменением состава слоя при высокодозовой имплантации углерода в кремний. Определены коэффициенты распыления подложки Si ионами C+ различных энергий. 2 Показано наличие резкой границы «пленка SiC0.7 – подложка Si». Поверхность слоя после отжига при температуре 1250°C является ровной (9–14 нм). Обнаруженны методом рентгеновской рефлектометрии осцилляции интенсивности. Моделированием с помощью программы Release получена теоретическая кривая, соответствующая системе: 1) слой SiC2.0 толщиной d = 2,0 нм, плотностью ρ = 3,26 г/см3 и шероховатостью поверхности σ = 0,44 нм; 2) SiO2 (d = 5,3 нм, ρ = 2,88 г/см3, σ = 1,1 нм; 3) SiC0,8 (d = 1,5 нм, ρ = 3,03 г/см3, σ = 0 нм); 4) SiC0,6 (d = 43,7 нм, ρ = 2,85 г/см3, σ = 0 нм); 5) подложка Si (ρ = 2,33 г/см3, σ = 1,8 нм). Исследование пленок SiС0,95 указывает на наличие поверхностного слоя с плотностью 2,51 г/см3 (оптическое стекло) и слоя карбида кремния толщиной 94 нм и плотностью 3,06 г/см3. 3 Для исследования структуры и состава применено математическое разложение ИК-спектра поглощения пленки SiС0,7 на компоненты, соответствующие Si–C-связям различного типа. Определены площади 12 компонент спектра до и после отжига при 1250°С с максимумами при: 612 см-1 – углерод в положении замещения; 739, 674 и 678 см-1 – слабые удлиненные Si–C-связи аморфного SiC; 780 см-1 – Si–C-связи близкие к тетраэдрической ориентации; 795 см-1 – Si–C-связи тетраэдрической ориентации кристаллического SiC; 817, 826 и 884 см-1 – укороченные Si–C-связи. После имплантации положение максимума на 739 см-1 указывает на некристаллическую природу имплантированного слоя. Соотношение количества слабых удлиненных Si–C-связей аморфной фазы, сильных укороченных Si–C-связей на поверхности мелких нанокристаллов, тетраэдрических Si–C-связей кристаллической фазы (степень кристалличности) до и после отжига составляет 56%/31%/13% и 21%/31%/48% соответственно.

4 Во время длительного высокотемпературного отжига (1200 °C) постепенное уменьшение амплитуды пиков TO- и LO-фононов SiC в спектрах ИК-пропускания указывает на распад структуры SiC. Более высокая стабильность пленок карбида кремния на подложке n-Si (100) по сравнению с n-Si (111) обусловлена большим количеством стабильных кластеров после имплантации. Обнаружено, что скорость распада карбида кремния не зависит от степени удаленности фронта окисления от поверхности пленки. 4 Во время длительного высокотемпературного отжига (1200 °C) постепенное уменьшение амплитуды пиков TO- и LO-фононов SiC в спектрах ИК-пропускания указывает на распад структуры SiC. Более высокая стабильность пленок карбида кремния на подложке n-Si (100) по сравнению с n-Si (111) обусловлена большим количеством стабильных кластеров после имплантации. Обнаружено, что скорость распада карбида кремния не зависит от степени удаленности фронта окисления от поверхности пленки. 5 Выявлены размерные эффекты, проявляющиеся в смещении минимума SiC-пика ИК-пропускания до 820 см-1, уменьшении амплитуды пика LO-фононов SiC и их исчезновении в процессе длительного отжига, обусловленные окислением пленки и уменьшением размеров нанокристаллов SiC в переходном слое «пленка SiC0,7 – подложка Si». 6 Синтезирована пленка β-SiC на подложке Si методом ионно-лучевого распыления двухкомпонентной мишени графита и кремния. Моделированием с помощью программы Henke-Gullikson показано, что на поверхности кремния синтезирована пленка SiC0,8 (d = 160 нм, ρ = 3,03 г/см3, σ = 0,25 нм). После отжига при 1250°С в атмосфере Ar+O2 наблюдается трансформация около половины объема пленки SiС0,8, содержащей нанокристаллы β-SiC (~5,5 нм), в аморфный слой SiO2 с деформированной поверхностью, содержащей неровности и выступы вплоть до 8 нм. 7 Травление в кислоте HF (5 минут) привело к удалению значительной части слоя SiO2 (95%), слоя SiC (11%) и выравниванию поверхности. Моделирование с помощью программы Release данных рентгеновской рефлектометрии показало, что получена система: C(d = 4,0 нм, ρ = 3,7 г/см3, σ = 0 нм) / SiC0,8(d = 75,0 нм, ρ = 3,03 г/см3, σ = 2,0 нм) / а-Si(d = 3,0 нм, ρ = 2,23 г/см3, σ = 4,5 нм) / Si(d = ∞, ρ = 2,33 г/см3, σ = 0,6 нм). Предположено, что тонкая ровная углеродная пленка высокой плотности получена в результате травления в кислоте HF системы слоев SiO2–SiC, содержащей прочные углеродные кластеры. 8 Показана применимость метода рентгеновской рефлектометрии для исследования тонких алмазоподобных углеродных пленок, синтезированных магнетронным распылением. С помощью программы Henke-Gullikson показано, что на поверхности кремния синтезирована алмазоподобная углеродная пленка с параметрами d = 84 нм, ρ = 3,3 г/см3 и σ = 1,5 нм.

Научная новизна Установлено, что деформация прямоугольного Оже профиля распределения атомов С в Si, полученного имплантацией ионов С+ с энергиями 40, 20, 10, 5 и 3 кэВ, по сравнению с расчетным профилем, проявляющаяся в утончении переходной области «пленка SiC – подложка Si», увеличении концентрации углерода у поверхности и в областях вблизи максимумов распределения углерода для отдельных энергий ионов (40, 20 кэВ), обусловлена эффектами распыления поверхности и изменением состава слоя при высокодозовой имплантации углерода в кремний. 2 Показана применимость метода рентгеновской рефлектометрии и современных программ моделирования (Release и др.) для исследования тонких пленок карбида кремния, синтезированных методом ионной имплантации, ввиду наличия резкой границы «пленка SiC – подложка Si». Обнаруженные осцилляции интенсивности отнесены к интерференции рентгеновских отражений в слоях (SiC2,0, SiO2, SiC0,8, SiC0,6) на Si, для которых определены плотность, толщина и шероховатость. 3 Для исследования структуры и состава впервые применено математическое разложение ИК-спектра поглощения пленки SiС0.7 на компоненты, площадь которых пропорциональна количеству Si–C-связей различного типа. Показано, что соотношение количества слабых удлиненных Si–C-связей аморфной фазы, сильных укороченных Si–C-связей на поверхности мелких нанокристаллов, тетраэдрических Si–C-связей кристаллической фазы (степень кристалличности) до и после отжига при температуре 1250°С составляет 56%/31%/13% и 21%/31%/48%, соответственно. 4 Выявлены размерные эффекты, проявляющиеся в смещении минимума SiC-пика ИК-пропускания до 820 см-1, уменьшении амплитуды пика LO-фононов SiC и их исчезновении в процессе длительного отжига, обусловленные окислением пленки и уменьшением размеров нанокристаллов SiC в переходном слое «пленка SiC0.7 – подложка Si», где концентрация углерода уменьшается.

Положения выносимые на защиту 1 Деформация прямоугольного Оже профиля распределения атомов С в Si, полученного имплантацией ионов С+ с энергиями 40, 20, 10, 5 и 3 кэВ, по сравнению с расчетным профилем, проявляющаяся в утончении переходной области «пленка SiC – подложка Si», увеличении концентрации углерода у поверхности и в областях вблизи максимумов распределения углерода для отдельных энергий ионов (40, 20 кэВ), обусловлена эффектами распыления поверхности и изменением состава слоя при высокодозовой имплантации углерода в кремний. 2 Метод рентгеновской рефлектометрии и современные программы моделирования (Release и др.) применимы для исследования тонких пленок карбида кремния, синтезированных методом ионной имплантации, ввиду наличия резкой границы «пленка SiC – подложка Si». 3 Соотношение количества слабых удлиненных Si–C-связей аморфной фазы, сильных укороченных Si–C-связей на поверхности мелких нанокристаллов, тетраэдрических Si–C-связей кристаллической фазы (степень кристалличности) до и после отжига пленки SiС0.7 при температуре 1250°С составляет 56%/31%/13% и 21%/31%/48%, соответственно. 4 Смещение минимума SiC-пика ИК-пропускания до 820 см-1, уменьшение амплитуды пика LO-фононов SiC и их исчезновение в процессе длительного отжига обусловлено окислением пленки и уменьшением размеров нанокристаллов SiC в переходном слое «пленка SiC0.7 – подложка Si», где концентрация углерода уменьшается.

Практическая значимость работы:

СПИСОК РАБОТ СПИСОК РАБОТ 1 Nussupov K.Kh., Beisenkhanov N.B., Zharikov S.K., Beisembetov I.K., Kenzhaliev B.K., Akhmetov T.K. and Seitov B.Zh. Structure and Composition of Silicon Carbide Films Synthesized by Ion Implantation // Physics of the Solid State. 2014. Vol. 56, No.11. Р. 2307–2321. (Impact-factor 2013 – 0.782. SCOPUS, Thomson Reuters). 2 Бейсембетов И.К., Бейсенханов Н.Б., Жариков С.К., Кенжалиев Б.К., Нусупов К.Х., Ахметов Т.К., Сеитов Б.Ж. Инфракрасная спектроскопия ионно-синтезированных тонких пленок карбида кремния // Вестник Нижегородского Гос. Университета. − 2013. − № 4(1). – С. 42-55. 3 Бейсембетов И.К., Нусупов К.Х., Бейсенханов Н.Б., Жариков С.К., Кенжалиев Б.К., Ахметов Т.К., Сеитов Б.Ж. Формирование и структура наноразмерного слоя карбида кремния на кремнии при имплантации ионов углерода высоких доз // Наноматериалы и наноструктуры - XXI век. – М.: Издательство "Радиотехника. – 2013. – Т. 4, № 2. − С. 36−42. 4 Бейсембетов И.К., Нусупов К.Х., Бейсенханов Н.Б., Жариков С.К., Кенжалиев Б.К., Ахметов Т.К., Сейтов Б.Ж. Синтез тонких пленок SiC на подложках Si ионно-лучевым распылением // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. − 2015. – № 2. – С. 1–9. (Импакт-фактор 2013 – 0,359. SCOPUS, Thomson Reuters). 5Бейсембетов И.К., Нусупов К.Х., Бейсенханов Н.Б., Жариков С.К., Кенжалиев Б.К., Ахметов Т.К., Ивлев Р. Структура наноразмерных пленок углерода и карбида кремния на кремнии, полученных магнетронным и ионно-лучевым распылением мишени // Наноматериалы и наноструктуры - XXI век. – М.: Издательство "Радиотехника". − 2012. − Т. 3, № 4. − С. 30−35. 6 Бейсембетов И.К., Нусупов К.Х., Бейсенханов Н.Б., Жариков С.К., Кенжалиев Б.К., Ахметов Т.К., Сеитов Б.Ж. Инфракрасная спектроскопия и рентгеновская рефлектометрия тонких пленок SiC на Si // Доклады НАН РК. − 2013. − № 6 − С. 40−45. 7 Бейсембетов И.К., Нусупов К.Х., Бейсенханов Н.Б., Жариков С.К., Кенжалиев Б.К., Ахметов Т.К., Сеитов Б.Ж. Распределение атомов углерода в кремнии после высокодозовой имплантации ионов С+ в Si // Известия НАН РК. Серия физ.-мат. − 2013. − № 6. − С. 50−59. 8 Бейсембетов И.К., Нусупов К.Х., Бейсенханов Н.Б., Жариков С.К., Кенжалиев Б.К., Ахметов Т.К., Сеитов Б.Ж. Ионный синтез и свойства пленок карбида кремния и углерода // Вестник КазНУ им. Аль-Фараби. Серия физическая. – 2013. – № 3(46). – С. 27–36.

9 Бейсембетов И.К., Нусупов К.Х., Бейсенханов Н.Б., Жариков С.К., Кенжалиев Б.К., Сагындыков А.Б., Ахметов Т.К. ИК-спектроскопия слоев кремния, имплантированных ионами углерода // Вестник КБТУ. − Алматы. − 2011. − № 2 . − С. 24–28. 9 Бейсембетов И.К., Нусупов К.Х., Бейсенханов Н.Б., Жариков С.К., Кенжалиев Б.К., Сагындыков А.Б., Ахметов Т.К. ИК-спектроскопия слоев кремния, имплантированных ионами углерода // Вестник КБТУ. − Алматы. − 2011. − № 2 . − С. 24–28. 10 Бейсембетов И.К., Бейсенханов Н.Б., Жариков С.К., Кенжалиев Б.К., Нусупов К.Х., Ахметов Т.К. Ионный синтез тонких пленок карбида кремния. // Тезисы докладов IV Всеросс. конф. «Физические и физико–химические основы ионной имплантации». Новосибирск, 2012. С.61. 11 Нусупов К.Х., Бейсенханов Н.Б., Жариков С.К., Бейсембетов И.К., Кенжалиев Б.К., Ахметов Т.К., Сеитов Б.Ж. Формирование тонких пленок SiC на подложках Si методом ионно-лучевого распыления // Сборник тезисов X конф. по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния «Кремний 2014». Иркутск, 2014. – С. 158. 12 Бейсембетов И.К., Бейсенханов Н.Б., Жариков С.К., Кенжалиев Б.К., Нусупов К.Х., Ахметов Т.К. Ионный синтез и свойства пленок карбида кремния и углерода. // Тезисы докладов IV Всеросс. конф. «Физические и физико–хим. основы ионной имплантации». Новосибирск, 2012. С. 117. 13 Бейсембетов И.К., Нусупов К.Х., Жариков С.К., Кенжалиев Б.К., Бейсенханов Д.Н., Джарас А.К., Ахметов Т.К., Сеитов Б.Ж. Исследование пленок карбида кремния, синтезированных методом ионной имплантации // Труды VI Межд. научно-практ. конф. «Проблемы инновац. развития нефтегазовой индустрии» КБТУ. Алматы, 2014. С. 256−269. 14 Бейсембетов И.К., Нусупов К.Х., Бейсенханов Н.Б., Жариков С.К., Кенжалиев Б.К., Мить К.А., Ахметов Т.К., Сеитов Б.Ж. Синтез тонких пленок SiC и С на подложках Si магнетронным и ионно-лучевым распылением. // Материалы 5-й Международной научно-практ. конференции «Проблемы инновационного развития нефтегазовой индустрии» / КБТУ. – Алматы, 2013. − С. 192–198. 15 Бейсембетов И.К., Бейсенханов Н.Б., Жариков С.К., Кенжалиев Б.К., Нусупов К.Х., Ахметов Т.К. ИК-исследование высокотемпературной нестабильности твердых пленок SiC, синтезированных ионной имплантацией // Материалы 4-й Межд. научно-практ. конференции «Проблемы инновационного развития нефтегазовой индустрии» / КБТУ. – Алматы, 2012.

Спасибо за внимание