Выращивание плёнки GeSi и CaF2 на кремниевых подложках (стр. 6 из 8)

На рисунке 2.9 представлен увеличенный фрагмент электронно-микроскопического изображения поверхности образца Е9/1. Стрелками А и В отмечены два участка поверхности, содержащие источники дислокационных полупетель. На участке А отчётливо видно (см. также схему к рисунку 2.9), что дислокационная полупетля малого размера находится на линии, соединяющей выходящие на поверхность плёнки концы пронизывающих сегментов большой дислокационной полупетли. Следовательно, можно считать, что обе дислокационных полупетли были образованы одним дислокационным источником. Этот позволяет предположить, что зарождение дислокационных полупетель происходит на поверхности плёнки. В этом случае только одна полупетля достигла границы раздела, образовав одну дислокацию несоответствия.

Во втором случае (источник В) наблюдается четыре дислокации несоответствия, распространяющиеся за счёт скольжения пронизывающих сегментов, обозначенных буквами a – d. Расположение их в одинаковой плоскости скольжения и один и тот же наклон в направлении скольжения (один из двух возможных в этом случае наклонов) свидетельствуют о том, что эти дислокационные сегменты, по-видимому, имеют одинаковый вектор Бюргерса, а дислокационный источник является многоразовым.

Еще более четко поверхностное зарождение дислокационных петель видно на Рис.2.8, где представлено ПЭМ изображение поперечного среза образца Е9/1 в плоскости (110). Анализ поперечных срезов позволил установить, что источники ДН локализованы в приповерхностной области эпитаксиальной плёнки. На рис. 2.8 кроме изображения двух фрагментов поперечного среза гетеросистемы GeSi /Si представлены соответствующие им схемы конфигураций дислокационных линий. На этих изображениях отчётливо видны дислокационные полупетли, распространяющиеся с поверхности вглубь плёнки, а также полупетли, уже достигшие границы раздела и сформировавшие отрезки дислокаций несоответствия. На основании полученных результатов можно предполагать, что активную роль в зарождении дислокаций несоответствия в гетероструктурах играет поверхность.

С этой точки зрения понятна малая релаксация образца E9/6. Известно, что водород, в отличие от аргона, не является инертным газом. Поэтому, при отжиге в атмосфере водорода ковалентные связи молекул вещества, находящегося в приповерхностной фазе, насыщаются, тем самым снижается поверхностная энергия гетероструктуры. В связи с этим можно предположить, что зарождению дислокаций с поверхности каким-то образом препятствует измененное водородом состояние поверхности.

Для того чтобы проверить предположение о влиянии поверхности был проведен ряд дополнительных экспериментов с образцами серии F9. Идея эксперимента была следующей: если уменьшить движущие силы, приводящие к введению дислокаций, то влияние поверхности образца на этот процесс станет более явным. Основной движущей силой для введения дислокаций являются механические напряжения несоответствия, которые определяются составом пленки GeSi. Для того чтобы уменьшить величину механических напряжений необходимо уменьшить содержание германия в пленках. Состав образцов серии F9 удовлетворяет этому условию, поскольку содержание германия в плёнке GeSi для этих образцов составляет 0,22 (для образцов серии Е9 - 0,32).

Рис. 2.7 ЭМ снимки поверхности образца Е9/1 после 10 мин отжига Т=350 °С

Для серии F9 постоянным для всех образцов было время отжига – 10 мин. Отжиг проводился в атмосфере Ar и H₂ , температура отжига варьировалось от 500 °С до 700 °С для разных образцов.

После отжига степень релаксации определялась по результатам наблюдения следов скольжения дислокаций в АСМ.

Основные параметры отжига образцов серии F9 сведены в таблицу 2.3

Таблица 2.3 Параметры отжига образцов серии F9

Образец	F9/1	F9/2	F9/3	F9/4
Температура Отжига, °С	500	600	600	700
Атмосфера отжига	H2	H2	Ar	H2
Время отжига, мин	10
Степень Релаксации* , %	0	0	0,2	0,02

* – по данным АСМ.

Как видно из таблицы, при отжиге образцов в атмосфере водорода релаксации не наблюдалось вплоть до температур 600 °С. Только по достижении 700 °С плёнка GeSi начала релаксировать. Однако и в этих условиях наблюдаемая величина релаксации незначительна и составляет порядка сотых процента. Отжиг в атмосфере Ar при 600 °С даёт величину релаксации плёнки на порядок большую, по сравнению с отжигом в водороде при 700 °С. Тот факт, что отжиг в водороде вплоть до температуры 600 °С не приводит к релаксации образцов серии F9 позволяет сделать вывод, что в данных условиях дислокации вводятся только с поверхности.

Ниже представлены снимки поверхности образцов F9/3 и F9/4, полученные с помощью АСМ. Видны следы скольжения дислокаций, неодинаковая толщина линий, обусловлена разной высотой ступеней, образованных продвижением дислокаций, что свидетельствует об их многократном прохождении вдоль линий скольжения.

Рис. 2.10 Снимки поверхности образца F9/3 после отжига в Ar 10мин. Т = 600 ° С

Рис. 2.11 Снимки поверхности образца F9/4 после отжига в Н₂ 10мин. Т = 700 ° С

2.2.3 Анализ и обсуждение результатов

Поскольку предварительный анализ результатов был проведён в экспериментальной части, то здесь ограничимся их кратким обзором и перейдём к выводам. Для исследования процессов зарождения и распространения дислокаций в твёрдых растворах GeSi, на поверхности подложки монокристаллического кремния (001) методами МЛЭ была выращена псевдоморфная плёнка GeSi. Вследствие низкой температуры роста (300 °С) удалось получить плёнки с толщинами на порядок большими критических для данного состава. Далее, при последующем низкотемпературном отжиге (350 °С) удалось зафиксировать начальную стадию пластической релаксации плёнки GeSi. При анализе результатов отжига образцов серии Е9 была обнаружена существенная разница в степени релаксации образцов, отожженных в разных атмосферах. Отжиг в атмосфере водорода приводит к существенному снижению темпов релаксации. В связи с этим было выдвинуто предположение о том, что в зарождении дислокаций значительную если не ведущую роль играет поверхность. Это предположение было подтверждено при исследовании поперечных срезов образца Е9/1, полученных с помощью ПЭМ. На снимках отчётливо видно, что зарождение дислокационных петель происходит с поверхности. Так что, судя по всему, на поверхности действуют источники ДН, причём эти источники являются многоразовыми, т. к. испускание дислокационных полупетель источниками происходило многократно. Меньшая степень релаксации при отжиге в атмосфере водорода объясняется тем, что водород, насыщая ковалентные связи, уменьшает поверхностную энергию вещества, блокируя тем самым поверхностную диффузию, что мешает образованию на поверхности атомных структур, которые могли бы являться концентраторами напряжений, приводящими к зарождению дислокационных полупетель с поверхности. К сожалению, для анализа места генерации ДН подходил только один образец серии Е9, отжиг которого проводился в течение 10 минут, т. к. увеличение длительности отжига до 30 и 90 минут приводило к образованию сплошной дислокационной сетки, что не позволило выявить места генерации ДН. Для того чтобы более чётко зафиксировать роль поверхности в зарождении дислокаций несоответствия, был проведен ряд дополнительных экспериментов с образцами серии F9, которые отличались пониженным содержанием германия в плёнке и меньшей толщиной самой плёнки. Отжиг образцов этой серии дал картину еще большей зависимости релаксации от атмосферы отжига: в атмосфере водорода плёнка GeSi начала релаксировать только по достижении 700 °С, в то время как отжиг в аргоне даёт величину релаксации плёнки на порядок большую при 600 °С. Это явилось дополнительным подтверждением предположения о влиянии поверхности на зарождение дислокаций несоответствия.

2.3 Выращивание гетероструктур CaF₂/Si

2.3.1 Исследуемые образцы

Эпитаксиальные плёнки CaF₂ выращивались на подложках Si(111) в установке молекулярно лучевой эпитаксии "Катунь". Скорости роста составляли 0.041 – 0.091 нм/с, температуры роста 550-750 °С, в зависимости от образца. После проведения роста методами эллипсометрии были измерены толщины выращенных плёнок. После отбраковки по признакам: наличие карбида на поверхности подложки после очистки, невозможность измерения толщины пленки вследствие сильной деформации образца, и т.д., для изучения были отобраны образцы №№ 76, 77 и 253. Основные параметры этих гетероструктур представлены в таблице 2.4

Таблица 2.4 Строение гетероструктур CaF₂/Si

№ образца	Толщина плёнки CaF2, нм	Ориентация подложки	Температура роста, °С	Скорость роста, нм/с
76	55	(111)	750	0,091
77	33	(111)	750	0,091
253	29	(111)	550	0,041

2.3.2 Морфология поверхности гетероструктур

Морфология поверхности гетероструктур исследовалась с помощью АСМ На рис. 2.12, 2.13 приведены снимки поверхности образцов 76 и 77 соответственно.

Рис. 2.12 фотография поверхности образца 76 (толщина плёнки CaF₂ 550Å) полученная с помощью АСМ