РОЗДІЛ 2
ОСОБЛИВОСТІ МЕХАНІЗМУ ТЕРМОАКТИВОВАНОГО РОЗПАДУ ШАРІВ SiOx, ОДЕРЖАНИХ
МАГНЕТРОННИМ РОЗПИЛЕННЯМ.
СТРУКТУРНІ ТА ФОТОЛЮМІНЕСЦЕНТНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ХІМІЧНИЙ СКЛАД ЗРАЗКІВ
Як зазначалося вище, одним із багатьох методів одержання плівок з квантовими
точками кремнію (nc-Si), вміщеними в матрицю SiO2, є термоактивований розпад
шарів нестехіометричного SiOx. Для з’ясування особливостей термічного розпаду
плівок SiOx, одержаних магнетронним розпиленням, ми дослідили зміну структурних
характеристик та хімічного складу вказаних шарів після їх високотемпературного
відпалу.
2.1. Методика експерименту.
Шари нестехіометричного SiОх були одержані методом магнетронного розпилення з
двох просторово розділених мішеней Si та SiO2 (діаметром 5 см кожна) на довгу
(15 см) підкладку з кремнію або кварцу (рис. 2.1). Температура підкладки
складала 15 °С. Відстань від мішеней до підкладки становила 13 см. Розпилення
проводилося, як правило, в атмосфері суміші повітря та аргону. Парціальний тиск
газів у камері складав при цьому 2.93Ч10-4 – 8.51Ч10-4 та 1.1 Па відповідно. В
залежності від часу напилення товщина шарів складала ~1 або ~5 мкм. Для
полегшення процесу вимірювань підкладка з напиленим шаром була розділена на
зразки довжиною 1 см кожний. З метою формування нанокристалітів кремнію (nc-Si)
у мариці SiO2 шари SiOx відпалювалися при температурі 1150°С протягом 40 хв. в
атмосфері азоту.
Для з’ясування впливу окислення шарів на процес термоактивованого розпаду
нестехіометричного SiОх частина зразків напилювалася при відсутності повітря в
робочій камері. Крім того, частина шарів, одержаних в присутності повітря,
відпалювалась відразу після напилення, а частина – зберігалась до відпалу на
повітрі протягом 6 місяців. Таким чином, усі досліджувані зразки були поділені
на три групи: зразки, одержані в присутності потоку повітря та відпалені
відразу після напилення (1 група); зразки, отримані в присутності повітря та
відпалені через 6 місяців після напилення (2 група); зразки, отримані при
відсутності повітря та відпалені відразу після напилення (3 група).
Рис. 2.1. Схема напилення та зовнішній вигляд шару оксиду зі змінним вмістом
надлишкового кремнію.
Структурні характеристики одержаних зразків досліджувались за допомогою
атомного силового мікроскопу Nanoscope IIIa (Digital Instruments) (AСM) (з
радіусом кривизни Si- зонда 5 - 10 нм) та на підставі аналізу спектрів
комбінаційного розсіювання світла (КРС). Вимірювання спектрів КРС проводились
на подвійному монохроматорі ДФС-24 в геометрії “на відбивання”. Сигнал
реєструвався за допомогою охолоджуваного ФЕП-136 в режимі рахунку фотонів. Для
збудження спектрів використовувалось випромінювання Ar+-лазера ЛГИ-503 з
довжиною хвилі 487.9 нм.
Хімічний склад зразків до та після відпалу визначався методами Оже- та ВІМС-
спектроскопії. Оже- спектри були отримані за допомогою спектрометра RIBER LAS
2000 та реєструвалися в області 0 – 1000 еВ з розділенням 3.4 еВ. Покрокове
травлення шару здійснювалось пучком іонів Ar+ з енергією 4 кеВ. Енергія
електронного пучка складала 3 кеВ, досліджувана площа – 100ґ100 мкм2 в
центральній частині кожного зразка. При визначенні розподілу хімічного складу
шару по глибині припускалось, що швидкість травлення з глибиною не змінюється.
Для оцінки відносного хімічного складу шару використовувались дані про зміну
інтенсивностей LMN- піку „чистого” Si (~92 еВ), кремнію в SiО2 (~76 еВ) та KLL-
піку кисню (~510 еВ). ВІМС- спектри реєструвалися за допомогою мас-спектрометра
CAMECA IMS 4f. Пошарове травлення здійснювалося пучком іонів Cs+ з енергією 3 -
14.5 кеВ, при цьому досліджувана площа складала 125ґ125 мкм2. Для визначення
складу шару за глибиною використовувались дані про ерозійну швидкість та
глибину ерозійного кратера при покроковому травленні плівки. Глибина ерозійного
кратера з точністю до 1 нм визначалась за допомогою профілометра Tencor Alpha
Step.
Для контролю хімічного складу матриці та дефектів у ній досліджувались також
спектри інфрачервоного (ІЧ-) поглинання та електронного парамагнітного
резонансу (ЕПР). Спектри інфрачервоного (ІЧ) поглинання реєструвались на
автоматизованій установці з двохпроменевим спектрометром ІКС-29. Роздільна
здатність спектрометра складала 4 см-1. Спектри ЕПР реєструвались спектрометром
Varian Е - 12 в Х-діапазоні з модуляцією магнітного поля на частоті 100 кГц.
Інтенсивність сигналу (кількість парамагнітних дефектів) та значення g-факторів
визначались по відношенню до еталону MgO:Cr2+ з відомим числом спінів, який
розміщувався в резонаторі разом з досліджуваним зразком. Похибка при визначенні
g-факторів складала 0.0005.
ФЛ вказаних плівок збуджувалась випромінюванням N2- (337 нм) або Ar+-
(487.9 нм) лазерів, розкладалась за допомогою призменного спектрометра ІКС-12
та реєструвалась фотопомножувачем ФЕП-79 або Ge- детектором. Усі спектри ФЛ
коректувались на чутливість приймача світла.
Вимірювання пропускання зразками світла з l = 337 нм проводилось на
спектрофотометрі Specord UV VIS. Товщини напилених плівок оцінювались на
профілометрі Dektak 3030. Усі дослідження, крім ФЛ, проводилися при кімнатній
температурі. Спектри ФЛ реєструвалися в області температур 77 – 300 К.
2.2. Характеристики шарів SiОх до відпалу.
Вихідні характеристики щойноодержаних невідпалених шарів суттєво не залежали
від атмосфери їх напилення. Товщина невідпалених SiОх- шарів залежала від їх
положення вздовж підкладки і складала 800 - 1100 нм для часу напилення 3 години
та ~5000 нм для часу напилення 20 годин. Як видно з рис. 2.2, кр. 1, ця
залежність є немонотонною. Максимальне значення товщини напиленого шару
відпов
- Киев+380960830922