ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР

ИНСТИТУТ МЕТАЛЛОФИЗИКИ АН УССР

На правах рукописи

КЛАДЬКО ВАСИЛИЙ ПЕТРОВИЧ

УДК: Б39.26 - 548.731

ЗАВИСИМОСТЬ РАССЕЯНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ТОРМОЗНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ СТРУКТУРНОГО СОВЕРШЕНСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ

БИНАРНЫХ И ТРОЙНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата фнзико-математических наук

Киев - 1986 г.

Работа выполнена в Институте полупроводников АН УССР

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор ДАЦЕНКО Л.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор КАНЕЛЬСОН А.А.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ГРИГОРЬЕВ О.Н.

Ведущее предприятие - Институт физики твердого тела АН СССР, г.Черноголовка.

Защита состоится. 1986 г. часов На заседании Специализированного совета К.016.37.01 при Институте металлофизики АН УССР Адрес: 252680, ГСП, г.Киев-142, пр. Вернадского,36, конференц-зал НИ АН УССР

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института металлофизики АН УССР Автореферат разослан,1986 г.

Ученый секретарь Специализированного совета К.ОІ6.37.0І доктор физико-математических наук ^ В.С.МИХАЛЕНКОВ

-IОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. В настоящее время в связи с интенсивным развитием твердотельной электроники и полупроводниковой техники, дальнейшей ее микроминиатюризацией резко повышаются требования, предъявляемые к совершенству и примесной однородности полупроводниковых материалов. Известно, что современная полупроводниковая технология позволяет получать слитки с высокой степенью чистоты, так называемые почти совершенные кристаллы. Однако, и в таких образцах все же присутствует некоторое количество дефектов структуры, способных существенно повлиять на физические свойства материала. Поэтому, дальнейшее повышение надежности к экономичности микросхем, повышение мощности и чувствительности СВЧ- и фотоэлектронных приборов сопряжено с трудностями, связанными с неоднородностью физических и химико-физических свойств материала. Преодоление этих трудностей в значительной мере связано с развитием методов контроля дефектов структуры, а также их влияния на свойства кристаллов. Из сказанного вытекает необходимость повышения точности существующих неразрушающих способов контроля структурного совершенства кристаллов и разработки новых методов.

Среди неразрушающих способов контроля структурного совершенства наиболее информативными являются рентгеновские дифракционные методы. Перспективными, в частности, являются методы, основанные на анализе рассеяния рентгеновских лучей (РЛ) с длинами волн, близкими к К-краям поглощения компонентов исследуемых кристаллов, в ввези с широким использованием в експериментах непрерывного спектра мощных источников синхротронного излучения.

В настоящее время дальнейшее развитие получила и динамическая теория рассеяния излучений кристаллами, содержащими дефекты закономерности рассеяния излучений элементарными кристаллами, в частности, Si и Ge.

В то же время динамические эффекты в бинарных и тройных соединениях полупроводников, характеризующихся более сложным спектром дефектов, при использовали» излучений с различными длинами волн, включая области вблизи К-краев поглощения компонентов, этими объектами изучены в недостаточной степени. До постановки настоящей работы, в частности, отсутствовали сведения о характере рассеяния излучений в тонких реальных кристаллах, а также в образцах, содержащих выделения избыточных фаз основных компонентов. Отсутствуют также надежные данные о дислокационной структуре узкозонных материалов.

Поэтому, экспериментальное исследование процессов рассеяния бинарными и тройными кристаллами представляет большой интерес и с точки зрения выяснения закономерностей рассеяния искаженной решеткой, состоящей из нескольких сортов атомов, и с точки зрения выяснения реальной структуры этих технически важных материалов.

Научная задача диссертационной работы. Экспериментальное выяснение особенностей рассеяния рентгеновских лучей с длинами волн вблизи К-краев поглощения компонентов в сильнопоглощающих кристаллах бинарных и тройных соединений, содержащих динамические и статические искажения различной природы и разработка количественных методик контроля структурного совершенства этих кристаллов.

Научная новизна. Впервые c помощью однокристального спектрометра (ОКС) проведены систематические исследования закономерностей рассеяния рентгеновских лучей в реальных кристаллах бинарных и тройных соединений, содержащих атомы тяжелых элементов. Получен ряд новых научных результатов. В частности:

совершенства монокристаллов - статического, фактора Дебая-Валлера L и коэффициента потерь анергии за счет диффузного рассеяния при измерениях интегральной интенсивности (ИИ) лауэ-дифрагированных пучков РЛ на ОКС.

2. Теоретически и экспериментально показана возможность динамического рассеяния РЛ в вышеуказанных кристаллах с хаотически распределенными дефектами второго класса (плотность дислокаций -107см-2).

3. Установлена линейность толщинных зависимостей логарифма скачка интенсивностей lnS = f(t), измеренных для длин волн вблизи К-краев поглощения компонентов, в приближении тонкого кристала (µt ~1) для следующих случаев:

а) идеального и реального кристаллов бинарных и тройных соединений;

б) реального кристалла с избытком фаз компонентов.

4. Показано, что структурные дефекты в бинарных и тройных соединениях при µt ~1 не оказывают влияния на величины скачков интенсивностей вблизи К-краев поглощения компонентов, хотя сами интенсивности возрастают при увеличении плотности дефектов.

5. Определены динамические параметры (дебаевские температуры и среднеквадратичные смещения атомов) подрешеток в бинарном соединении InSb без использования какихлибо параметров, расcчитанных теоретически.

6. Предложено объяснение постоянства величины параметра Bтолщинной зависимости lnS=At+B при варьировании температуры кристалла.

Научное и прикладное значение подученных результатов. Полученные в работе новые результаты о характере и закономерностях динамического рассеяния рентгеновских лучей реальными кристаллами бинарных й тройных соединений, содержащих тяжелые елементи, представляют научный интерес для более детального понимания процессов рассеяния излучений такими объектами.

Разработанные методики оценки структурного совершенства сильноискаженных кристаллов по величине кинематической (диффузной) компоненты интенсивности, а также определения глубины нарушенных при механической обработке поверхностных слоев в этих кристаллах представляют практический интерес для полупроводникового материаловедения и приборостроения. В настоящее время эти методы внедряются на заводе чистых металлов (г. Светловодск).

использовались на протяжении последних 5 лет в курсе лекций "Дифракционные методы исследования монокристаллов", который ежегодно читался на физическом факультете Киевского госуниверситета им. Т.Г.Шевченко.

Положения, выносимые на защиту.

1. В многокомпонентных реальных (содержащих структурные дефекты) монокристаллах lnS=f(t) при µt1 на основании линейного характера зависимостей.

может быть определена аффективная концентрация атомов каждого компонента.

2. Динамические характеристики каждой из подрешеток бинарных кристаллов (средние квадраты тепловых смещений атомов и температуры Дебая) могут быть получены при анализе характера изменения с температурой зависимостей lnS=f(t), измеренных вблизи К-краев поглощения компонентов.

3. В многокомпонентных кристаллах, содержащих дислокации, по величине диффузной,компоненты интенсивности лауэ-дифрагиррван-ных пучков в условиях слабого поглощения (µt1) может быть определена плотность дислокаций.

ІУ Всесоюзном совещании "Дефекты структуры в полупроводниках", (Новосибирск, г.), Всесоюзной конференции "Динамическое рассеяние рентгеновских лучей искаженными кристаллами", (Киев, 1984 г.), II Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов, (Москва, 1984 г.). Кроме того, отдельные результаты диссертация систематически докладывались на постоянно действующем Республиканском семинаре по динамическому рассеянию рентгеновских лучей (Киев, 1983,1984 г.), а также на юбилейных сессиях, посвященных памяти академика В.Е. Лашкарева (Киев, ИП АН УССР, 1983-1985 г.) Обьем работы. Диссертация изложена на 151 странице машинописного текста, состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из 146 наименований, II таблиц, 21 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационной работы, приведены основные результаты и научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору литературных источников, содержащих результаты исследований влияния на динамическое рассеяние рентгеновские лучей в геометрии Лауэ динамических и статических искажений периодичности решетки различной природы. Рассмотрены вопросы классификации дефектов структуры по их влиянию на дифракцию излучений, а также применения однокристального „спектрометра для исследования структурного совершенства кристаллов.

Проведен анализ методов контроля глубины нарушенных при механической обработке поверхностных слоев и химического состава соединений.

значительные успехи и в развитии теории рассеяния излучений кристаллами с дефектами, и в разработке экспериментальных методик исследования структуры кристаллов. Следует особо отметить методику измерения скачков Интенсивностей вблизи К-краев поглощения компонентов, позволяющую в приближении толстого кристалла (µt>10) пределить основные параметры структурного совершенства. Однако, как следует из обзора, практически не изученными является сильнопоглощающие кристаллы бинарных и тройных соединений, содержащих тяжелые атомы. Эти соединения находят в настоящее время важное техническое применение в целом ряде фотоэлектрических приборов.

Результаты последних теоретических и экспериментальных работ свидетельствуют о перспективности применения приближения тонкого (µt1) кристалла для исследования сильнонарушенных объектов, т.к. в толстом кристалле при высоком уровне искажений решетки, интенсивности аномального прохождения РЛ(АПРЛ) полностью подавляются.

Из оказанного выше вытекает необходимость экспериментального исследования особенностей рассеяния РЛ с длинами волн вблизи К-краев поглощения компонентов в сильнопоглощающих реальных кристаллах бинарных и тройных соединений и разработки количественных методик контроля структурного совершенства этих кристаллов.

Вторая глава посвящена описанию методики эксперимента.

Все измерения в данной работе были выполнены с помощью однокристального спектрометра при использовании длин волн непрерывного спектра РЛ, расположенных Проведен анализ влияния различных инструментальных факторов на измеряемые интенсивности в случае ОКС.

Одним из недостатков ОКС является отсутствие возможности измерения интенсивности РЛ, падающих на кристалл. Указанную трудность, как показано в работе, можно обойти, если использовать дополнительное отражение от эталонного совершенного кристалла. Интегральную интенсивность пучка I э с длиной волны, дифрагированного одним совершенным кристаллом, можно выразить через интегральный коэффициент отражения где I 0 -интенсивность падающего на кристалл рентгеновского пучка, э -неизвестная аппаратурная функция.

В случае нарушенного кристалла с хаотически распределенными дефектами, можно записать подобное выражение, заменив Ri формулой для интегральной отражательной способности IR, в которую входит, подлежащая определению, характеристика структурного совершенства, статический фактор Дебая-Валлера L:

где н -аппаратурная функция реального кристалла. Проведенные экспериментальные исследования и расчеты показали, что величина н / э ~ I (с точностью измерения I н / I э ~ 6%) независимо от степени структурного совершенства исследуемого образца, типа отражения, уровня поглощения µt. Поэтому, рассмотрение отношения I н / I э позволяет исключить из последующего расчета неизвестные величины I 0 и :

Это в конечном итоге дает возможность из измеренных на ОКС интегральных интенсивностей рассчитать искомые параметры структурного совершенства, используя известные выражения для IR и Ri.

поглощения µ для ряда бинарных соединений были определены в независимых опытах в широкой интервале длин волн, включая К-краи поглощения компонентов.

Контроль отсутствия в исследуемых образцах механических напряжений и термоградиентов проводился с помощью сопоставления интенсивностей фриделевских пар для hkl и h k l -отражений.

Одной из проблем при измерениях на ОКС является также определение вклада коротковолновых гармоник n / 2 в измеряемую интенсивность. Для исключения паразитного влияния гармоник в нашем случае был использован метод варьирования анодного напряжения. В соответствии с соотношением U a 12,39 / подбиралось такое напряжение на аноде, чтобь 12,39 / U a n, где n -номер первой разрешенной гармоники высшего порядка.

Для исследований использовались образцы, вырезанные из монокристаллических слитков. Нарушенный слой, возникающий в процессе резки, удалялся шлифовкой на алмазных порошках с зерном малого диаметра (М5-М20). Затем проводилось полировочное травление в соответствующих травителях.

Контроль структурного совершенства образцов осуществлялся с помощью рентгеновской топографии по Лангу и на отражение (по Брэггу), также методом избирательного травления.

Третья глава посвящена рентгенодифрактометрическим исследованиям хаотически распределенных дислокаций в монокристаллах.

динамическое рассеяние РЛ установлено, что в указанных кристаллах возможно интерференционное прохождение РЛ.

В тонких реальных образцах вклад диффузной компоненты интенсивности IД в суммарную величину ИИ резко возрастает, особенно при измерениях на спектрометре с шириной пучка, намного превышающей зкстинкцмонную длину. Выраженив для IД, с учетом перенормированного статического фактора L*, принимает вид:

где д - вектор дифракции, b - вектор Бюргерса, - длина экстинкции, д - плотность дислокаций, q- кинематическая рассеивающая способность единицы объема, отнесенная к единице длины, t- толщина кристалла, µ- нормальный коэффициент поглощения.

Изменением динамической компоненты интенсивности по сравнении с идеальным кристаллом в первом приближении можно пренебречь, поскольку величины статического фактора exp( L ) близки к І в широком интервале изменения д. Поэтому наблюдаемыйна опыте прирост интенсивности Лауэ-дифрагированных пучков I R в тонких образцах, содержащих хаотически распределенные дислокация, можно отождествить с диффузной компонентой интенсивности IД, определяемой (3.1). Согласно (3.1) можно легко риментальных значений I R рентгеновских деформационных изображений отдельных дислокаций. Нижний предел ~ 103 см-2 отвечает порогу чувствительности при измерениях IR с точностью ~3%. Значения для д CdTe и KPT приведены в таблице 3.1.

Реализация условия µt 1 для снльнопоглощающих кристаллов CdTe, InSb и др.

даже при использовании жестких излучений (Mo, Ag) не только требует приготовления геометрически тонких образцов (t ~ 20мкм) но и встречает принципиальные физические трудности, связанных с тем обстоятельством, что для основных типов отражений экстинционная длина и абсорбТаблица 3.1. Сопоставление д, определенных независимыми методами ционная 1/µ соизмеримы. Одним из путей преодоления этой трудности является переход в область 1. Результаты плотности дислокаций, рассчитанные по этим значениям, показывают, что эти значения резко уменьшаются при увеличении уровня поглощения (параметра µt), а при µt становятся относительно малыми. I R уменьшаются значительно быстрее, чем I R. Это обстоятельство, по-видимому, обусловлено возрастающим влиянием динамических эффектов на диффузное рассеяние по мере увеличения толщины кристаллов. Несмотря на различие I R и I R порядок рассчитанного по формуле (3.1) значения д сохраняется, однако, до µt 2, что позволяет в практических целях использовать этот интервал толщин.

Необходимо также отметить, что в целом наблюдается удовлетворительная корреляция значений I R, измеренных на ДКС и ОКС, что является с нашей точки зрения свидетельством в пользу правомочности использования ОКС.

Четвертая глава посвящена изучению динамических характеристик подрешеток в соединении InSb.

Для соединения InSb были получены значения дебаевскнх температур и средних квадратов тепловых смещений атомов подрешеток. Это оказалось возможным благодаря исследованию температурных зависимостей функций lnS=At+B, где S=I2/I1, A и B - параметры структурного совершенства кристалла, индексы I и 2 соответствуют соответственно коротко - и длинноволновым областям К-края поглощения. Параметр A можно представить для бинарных соединений в виде:

где µ A, µ B - скачки нормальных коэффициентов фотоэлектрического поглощения соответственно для компонентов A и В вблизи юс К-краев, r символ Кронекера, индекс параметра A h равен А или В, если исследуемый скачок вблизи К-края атомов сорта А или В соответственно. В каждой из этих случаев в формуле (4.1), фактически остается отличным от нуля только одно слагаемое, что и позволяет раздельно определить параметры Поправки на термодиффузное рассеяние µТДР в данном случае одинаковы для длин волн 1 и 2 на основании того, что µ ТДР ~ f rh.

Следовательно, при рассмотрении параметра A h эти поправки сокращаются.

температур показал, что эти зависимости носят линейный характер, несмотря на наличие вкладов в ИИ волновых полей с различными состояниями поляризации. Линейность зависимостей Ai = f (t ) свидетельствует о том, что в исследуемом температурном интервале характеристическая температура Д является практически постоянной величиной.

Полученные в работе величины дебаевских температур и средних квадратов тепловых смещений атомов составляют: Д =I59-3K, Д = 150±ЗК и для подрешеток In и Sb соответственно.

Проведен анализ термодиффузных поправок. Влияние их на интегральную интенсивность можно оценить следующим образом. Отношение ИИ термодиффузного рассеяния I ТДР к ИИ брэгговского отражения IБ в режиме АПРЛ по порядку величины равно:

где - угловая ширина окна спектрометра, Б - угловая ширина кривой отражения, апараметр решетки, - длина экстинкции.