Главная >> Диссертации - все темы

Pages: |

| 2 |

«ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА САМООРГАНИЗОВАННЫХ НАНОКЛАСТЕРОВ GexSi1-x/Si МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ОЖЕ-МИКРОСКОПИИ ...»

-- [ Страница 1 ] --

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НИЖЕГОРОДСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.И. ЛОБАЧЕВСКОГО»

На правах рукописи

НИКОЛИЧЕВ Дмитрий Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА

САМООРГАНИЗОВАННЫХ НАНОКЛАСТЕРОВ GexSi1-x/Si

МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ОЖЕ-МИКРОСКОПИИ

Специальность 01.04.10 – физика полупроводников Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель д.ф-м.н., проф.

Д.А. Павлов Нижний Новгород –

1.2.4. Ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия................. 1.3. Методы исследования структурных, оптических и электрофизических свойств гетероструктур с нанокластерами GeSi

1.3.1. Рентгеновская дифракция и спектроскопия комбинационного рассеяния

1.3.2. Спектроскопия фотолюминесценции и фотоЭДС

1.4. Выводы

Глава 2. Методика эксперимента

2.1. Основы метода сканирующей оже-микроскопии

2.1.1. Метод электронной оже-микроскопии

2.1.2. Метод растровой электронной микроскопии

2.1.3. Локальный элементный анализ методом сканирующей ожемикроскопии

2.2. Аппаратура для измерения

2.3. Выводы

Глава 3. Развитие методики сканирующей оже-микроскопии в применении к исследованию наноструктур GeSi

3.1. Разрешение по энергии

3.2. Пространственное разрешение

3.3. Количественный анализ

3.4. Послойный анализ структур с наноостровками

3.4.1. Юстировка ионного, электронного зондов и фокуса анализатора 3.4.2. Определение параметров ионного травления

3.4.3. Изменение морфологии поверхности при ионном травлении...... 3.5. Выводы

Глава 4. Состав самоорганизованных нанокластеров GeSi

4.1. Параметры исследуемых структур

4.1.1. Наноструктуры GeSi/Si, полученные методом молекулярнолучевой эпитаксии

4.1.2. Наноструктуры GeSi/Si, полученные методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии с газофазным источником германия. 4.2. Состав структур, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии

4.3. Состав структур, выращенных методом сублимационной молекулярно лучевой эпитаксией с газофазным источником германия

4.4. Подтверждение полученных результатов

4.5. Выводы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БЛАГОДАРНОСТИ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Список сокращений и обозначений ЭОС – электронная оже-спектроскопия РЭМ – растровая электронная микроскопия СОМ – сканирующая оже-микроскопия АСМ – атомно-силовая микроскопия РФЭС – рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия ПЭМ – просвечивающая электронная микроскопия РЭДС - рентгеновская энергодисперсионная спектрометрия СХПЭЭ – спектроскопия характеристических потерь энергий электронов АС – аналитический сигнал МЛЭ – молекулярно-лучевая эпитаксия СМЛЭГ – сублимационная молекулярно-лучевая эпитаксия в среде германа ФЛ – фотолюминесценция ФПЭ – фотоЭДС на барьере полупроводник/электролит СВВ – сверхвысокий вакуум ГХ – градуировочная характеристика МС – монослой

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность Самоорганизованные полупроводниковые гетеронаноструктуры на основе GeSi являются предметом интенсивного исследования, вследствие возможности применения таких структур в оптоэлектронике, основанной на традиционной кремниевой технологии [1, 2]. На основе наноструктур c островками GexSi1-x/Si могут быть созданы светодиоды (LED) с длиной волны 1.3 и 1.55 µm, для применения их в оптических системах коммуникации, а также, лазерные диоды [3]. Благодаря эффекту размерного квантования и наличию квазипрямых оптических переходов, можно ожидать значительное увеличение интенсивности электролюминесценции в таких структурах [4].

фотопроводимость GeSi структур в области 1.2 – 3 µm. Интерес к этому направлению вызван, в первую очередь, расширением спектральной области фотодетекторов, выполненных по кремниевой технологии, в сторону большей длины волны.

гетероструктур GeSi/Si определяются, во-первых, геометрией нанообъектов и, во-вторых, их составом. Для характеризации морфологии наноструктур успешно применяются методы сканирующей зондовой микроскопии.

Основными методами исследования состава самоорганизованных рентгеноструктурный фазовый анализ и т.д.), способные дать информацию лишь о средней концентрации германия и кремния в островках. Для оборудованием для рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии (РЭДС) и спектроскопии характерических потерь энергий электронов (СХПЭЭ). Но метод ПЭМ, как известно, требует сложной пробоподготовки, что особенно трудновыполнимо в случае структур с нанокластерами. Кроме того, процедура интерпретации полученных спектральных данных нетривиальна, особенно в случае СХПЭЭ. В данной работе для исследования локального состава самоорганизованных наноостровков GeSi/Si использован метод сканирующей оже-микроскопии, являющейся комбинацией методов электронной оже-спектроскопии (ЭОС) и растровой электронноймикроскопии (РЭМ). Подготовка образцов для метода СОМ не требует проведения сложных операций, и методика количественного анализа отработана для метода ЭОС. Электронная оже-спектроскопия – метод поверхностного анализа, т.к. сбор вторичных электронов происходит с глубин, не превышающих десятков ангстрем, что в совокупности с использованием источника электронов, позволяющим фокусировать зонд до диаметра в несколько нанометров, создает возможность для локального анализа нанообъектов с нанометровым масштабом.

Комплексный подход к изучению реального распределения германия в островке может помочь в понимании природы фотолюминесценции (ФЛ) в наноструктурах [5] и найти пути к увеличению выхода ФЛ. Зная пространственное распределение Ge и Si, можно найти распределение упругих энергий в островке, после этого рассчитать зонную диаграмму кластера и решить уравнение Шредингера, - найти огибающую собственных функций, собственные состояния энергии, интегралы межзонного перекрытия и т.д.

Цели и задачи работы распределения состава в самоорганизованных нанокластерах GexSi1-x/Si профилированием по глубине травлением ионами аргона. Объектом исследования выступают гетероструктуры выращенные методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и сублимационной молекулярно лучевой эпитаксии с газофазным источником германия (СМЛЭГ).

С учетом того, что метод электронной оже-спектроскопии с нанозондом применяется впервые для исследования структур с германиевокремниевыми островками, были определены следующие основные задачи исследования:

1. Развитие методики растровой электронной (РЭМ) и сканирующей ожемикроскопии с использованием специально изготовленных тестовых образцов для определения латерального разрешения в режимах поверхностными объектами нанометрового масштаба с применением метода сканирующей оже-микроскопии.

полупроводниковых структур GeSi на разрешение по глубине при профилировании и на изменение морфологии поверхности. Определение оптимального режима ионного травления на многослойных структурах GeSi/Si.

3. Получение с помощью метода СОМ распределения концентрации германия и кремния по глубине островков, выращенных двумя методами молекулярно-лучевой эпитаксии при различных параметрах ростового процесса.

Научная новизна 1. Развита методика проведения локального анализа полупроводниковых наноструктур GeSi/Si методом сканирующей оже-микроскопии.

Определены оптимальные параметры эксперимента для получения характеристики для определения концентрации германия и кремния в наностровках с учетом наличия оксидного слоя. Определено влияние ионного распыления на размытие профиля распределения германия и самоорганизованных кластеров.

2. Впервые получены профили распределения концентрации германия по глубине наностровков. Определено, что распределение германия по глубине для островков, выращенных двумя методом МЛЭ, различается в случае пирамидальных и куполообразных островков. В случае островков, выращенных методом СМЛЭГ в среде германа, поверхность состоит преимущественно из германия (около 90 % ат.).

Практическая ценность Разработанные в ходе выполнения работы методики могут быть перенесены на локальные исследования состава других поверхностных микро- и нанообъектов. Так, на оборудовании, на котором производились исследования в данной работе, уже изучается состав каплеобразных дефектов на поверхности магнитных структур Ge:Mn/GaAs и Si:Mn/GaAs, полученных методом импульсного лазерного осаждения, нанозерна хрома, выделяющиеся на границе зерен в сплавах CuCr (AZ91) при их отжиге. Метрологические аспекты такие, как определение пространственного разрешения методов РЭМ/СОМ также перенесены на другие полупроводниковые и металлические материалы.

оптическими и электронными свойствами гетероструктур GeSi, изученными такими методами, как ФЛ, ФПЭ и др., после чего могут быть выработаны научно-обоснованные подходы к формированию структур с наилучшими характеристиками.

По материалам диссертация обновлен курс лекций, читаемых студентам пятого курса и магистрантам первого года обучения физического факультета ННГУ "Методы диагностики и анализа микро- и наносистем".

Поставлена лабораторная работа для студентов, слушающих данный курс "Исследование состава полупроводниковых структур методами электронной оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии".

Работа выполнялась по планам НИР ННГУ 1. Грант Минобразования по фундаментальным исследованиям в области естественных и точных наук "Самоорганизованные наноостровки GeSi/Si: морфология, состав и энергетический спектр" (E02-3.4-238) 2. Грант Минобразования для поддержки научно-исследовательской локального элементного состава самоорганизованных нанокластеров GeSi/Si методом растровой Оже-микроскопии" (А03-2.9-473) самоорганизованных наноостровков SiGe/Si" (03-02-17085) оптоэлектроники методами сканирующей зондовой микроскопии и локальной Оже-спектроскопии 5. Аналитическая ведомственная целевая программа Федерального агентства по образованию РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)»

многофункциональных материалов на основе полупроводников (A4, A3B5) и диэлектриков (оксиды). Исследование их оптических и электронных свойств Апробация работы Результаты работы докладывались на тринадцатой, четырнадцатой и пятнадцатой международных конференциях "Microscopy of Semiconducting Materials" (Кэмбридж, Оксфорд, Великобритания, 2003, 2005, 2007), двадцать (Флагстаф, США, 2004), пятнадцатом российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам (Черноголовка, 2007), двадцать второй российской конференции по электронной микроскопии (Черноголовка, 2008), всероссийских конференциях "Нанофизика и наноэлектроника" и "Нанофотоника" (Н. Новгород, 2004, 2005 гг.), международном рабочем совещании "Сканирующая зондовая микроскопия" (г. Н. Новгород, 2004), двенадцатой конференции "Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение". (Н. Новгород, 2004), шестой российской конференции по физике полупроводников (С.-Петербург, 2003), первой и второй всероссийских конференциях "Аналитические приборы (2002, 2004), четвертой и пятой всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С.Петербург, 2002, 2003), 9 нижегородской сессии молодых ученых (Н. Новгород, 2004).

Публикации По материалам диссертационной работы опубликовано 5 статей и публикаций в материалах конференций.

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, 4-рех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 142 страницы, включая 91 рисунок. Список цитируемой литературы включает 81 наименование, список работ автора по теме диссертации содержит 22 наименования.

Положения, выносимые на защиту 1. Распределение концентрации германия в нанокластерах GexSi1-x неравномерно. Наибольшая концентрация германия наблюдается вблизи поверхности и затем быстро спадает к основанию нанокластера.

2. Распределение концентрации германия в нанокластерах, выращенных методом молекулярно лучевой эпитаксии (МЛЭ), отличается от распределения в нанокластерах, выращенных методом сублимационной молекулярно лучевой эпитаксии кремния с газофазным источником германия – GeH4 (СМЛЭГ). В случае СМЛЭГ германий сосредоточен в тонком ( 2 нм) приповерхностном слое нанокластера, где его концентрация достигает 90 % ат. В случае МЛЭ концентрация германия в приповерхностном слое нанокластера составляет 50 – 70 % ат. и начинает спадать на глубинах 5 – 8 нм.

3. Метод сканирующей оже-микроскопии с диаметром электронного зонда 20 нм позволяет определять состав германиево-кремниевых структур с поверхностными самоорганизованными нанокластерами GexSi1-x с латеральным разрешением не хуже 80 нм.

4. На защиту выносится методика определения латерального разрешения методов сканирующей оже-микроскопии и растровой электронной микроскопии с использованием ромбических тестовых структур, созданных путем фотолитографии и плазменного травления.

Глава. 1. Наноразмерные гетероструктуры. Рост, морфология, свойства (Литературный обзор) Полупроводниковые структуры нанометрового масштаба, как и технология их получения, являются объектом интенсивного изучения [6, 7].

Эти материалы необходимы для применения в полупроводниковой электронике и для создания оптоэлектронных устройств нового поколения, основанных на эффекте размерного квантования. Методы создания наноструктурированных материалов на сегодняшний день основаны вопервых, на переносе искусственно-созданной маски на однородный материал, т.е. на использовании различных нанолитографических методов (ультрафиолетовая литография, рентгеновская литография, электронно- и ионнолучевая литография, сканирующая зондовая литография и т.д.) [8], и во-вторых, на использовании процесса самоформирования, когда наноразмерные объекты образуются из однородного материала, вследствие самоорганизованных наноструктур заключается, во-первых, в определении влияния условий формирования на морфологию и состав наноструктур и, вовторых, в изучении влияния морфологии и состава на свойства наноструктурированных материалов. Понимание этих законов позволяет выбирать условия формирования структур с необходимыми свойствами.

Несмотря на большое количество работ [9, 10], посвященных изучению данной проблемы, она еще далека от решения. Эффект размерного полупроводниковых наноструктурах, что в свою очередь влияет на электрические и оптические свойства. Таким образом, изучение структуры наноматериалов является важной областью материаловедения [11].

Интерес к самоорганизованным германиево-кремниевым островкам вызван возможностью их применения в оптоэлектонике в качестве светодиодов с длинами волн 1,3 и 1,55 мкм, а также, в качестве лазерных диодов. Также самоорганизованные Ge-Si-гетеронаноструктуры могут быть использованы как фотодетекторы с регистрируемой длиной волны равной 1.2 – 3 мкм [12, 13]. Интерес к этому направлению вызван, в первую очередь, расширением спектральной области фотодетекторов, выполненных по кремниевой технологии, в сторону большей длины волны, где энергия фотонов меньше запрещенной зоны кремния (при комнатной температуре Eg(Si) 1.11 eV и соответствующая длина волны = 1.12 µm). Но не только светоизлучающие приборы, но и фотодетекторы также необходимы для интегрированной кремниевой оптоэлектроники. На текущий момент в качестве фотодетекторов с длиной волны 1.3 и 1.55 µm используются фотодиоды, созданные на базе гетероструктур InGaAs/InP. Но они так же, как и лазерные диоды на основе InGaAsP, сложно встраиваются в интегральные схемы (ИС), изготовленные по традиционной кремниевой технологии.

наноструктур от условий роста имеет сложный характер [14]. Так, латеральный размер кластеров увеличивается от ~ 10 нм до нескольких сотен нанометров с увеличением температуры роста Tg от 300 до 750 °С [15]. В то же время меняется форма, поверхностная плотность и элементный состав кластеров. При Tg < 550°С GeSi/Si (001) они имеют пирамидальную форму (так называемые пирамидальные или "hut"-кластеры), а при Tg > 550°С куполообразную (куполообразные или "dome"-кластеры). Диффузия кремния из материала подложки в кластеры приводит к формированию твердого раствора GeSi внутри нанокластера, кроме этого, распределение германия в кластере может быть неоднородно. Для нахождения связи между условиями роста, структурой, составом и свойствами массивов нанокластеров необходимы систематизированные исследования с применением новых методов, позволяющих изучать пространственное распределение GeSi твердого раствора внутри кластера. Задача построения зонной структуры наностровков Ge-Si была решена в [16] для Ge кластеров в предположении, что островки состоят только из германия. Знание реального распределения фотолюминесценции (ФЛ) в структурах с наноостровками (природа которой до сих пор недостаточно изучена, несмотря на большое количество работ, посвященных этому [14]) и найти пути к увеличению выхода ФЛ.

Для КТ InAs/GaAs эта проблема была решена в [17]. Тем не менее, в этой работе было сделано предположение о наличии чистого InAs в квантовых точках и гетеропереход InAs/GaAs рассматривался как абсолютно резкий. Но, как известно, диффузионное перемешивание в процессе и после окончания роста приводит к значительному изменению формы и состава КТ [18].

СТМ на сколе (X-СТМ) может быть применена для изучения состава КТ InAs/GaAs [19]. В этом методе измерения состава КТ сводятся к простому пересчитыванию соответствующих атомов In и Ga на единице площади на СТМ-изображении. Но для GeSi структур СТМ-изображение на сколе GeSi наноструктур сложнее в гораздо большей степени, нежели в случае структур на основе полупроводников III и IV групп, т.к. скалывание Ge и Si несовершенно в сравнении с полупроводниками A3B5. Если при скалывании полупроводниковой структуры A3B5 в плоскости (110) автоматически образуется атомарно гладкая поверхность, то в случае Ge и Si плоскость скола получается сильно шероховатой. Кроме этого, известно, что очень сложно получить атомное разрешение на нереконструированной поверхности [20].

самоорганизованных структур GeSi/Si в данной работе применялся метод сканирующей Оже-микроскопии [21]. Данный метод является комбинацией методов растровой электронной микроскопии (РЭМ) и электронной Ожеспектроскопии (ЭОС). В основном, все РЭМ оснащаются приставками для рентгеновского микроанализа (РМА) [22], но толщина слоя, из которого эмитируется рентгеновское излучение, составляет >1 мкм, независимо от диаметра электронного зонда dp. Данный фактор ограничивает пространственное разрешение метода РМА.

Оже-электроны эмитируются с глубины 2 – 5 монослоев (МС) материала образца (в соответствии с длиной свободного пробега вторичных Оже-электронов LA) [23]. Диаметр области, откуда эмитируются Оже электроны, составляет (5 10) LA. Величина dp в современных РЭМ составляет 3 нм, что создает потенциальную возможность проводить превышающим диаметр электронного зонда. Но такая возможность не может быть использована в традиционных РЭМ, ввиду присутствия на поверхности образца слоя адсорбата. Такой слой образуется вследствие контакта поверхности образца с окружающей средой и остаточными газами в вакуумной камере (давление остаточных газов в вакуумной камере стандартных РЭМ составляет 10-6 торр). Как говорилось выше, выход ожеэлектронов возможен лишь из единиц МС, поэтому в случае традиционного растрового электронного микроскопа основной сигнал будет идти от поверхностного адсорбата (преимущественно углерода). Таким образом, метод растровой оже-микроскопии может быть осуществлен лишь в условиях сверхвысокого вакуума [24].

использоваться в материаловедении с начала ранних 70-х. Диаметр пучка ограничение было обусловлено низким вакуумом в системе. Изоляция электрических цепей от вакуумного объема осуществлялась с помощью резиновых соединений. Система магнитной фокусировки обладает отрицательным качеством в том плане, что в материале, из которого она изготавливается, находится огромное количество трудно откачиваемых скрытых полостей. Применение электростатической фокусировки было невозможно из-за наличия пробоя вследствие низкого вакуума. С этими ограничениями однофокусная электростатическая система для электронного оже-сканирования просуществовала до 90-х годов, при этом ускоряющее напряжение в таких приборах было 3 – 5 кэВ.

Прорыв в этом направлении был сделан в начале 90-х, когда были фокусировкой, отклоняющей системой и системой стигматоров, совместимых со сверхвысоким вакуумом. Были созданы керамические изоляторы, обеспечивающие сверхвысокий вакуум в системе (Teflon™ и Capton™), сделан переход от системы откачки с использованием масляных насосов к турбомолекулярным и ионно-гетерным насосам. Кроме этого, условия сверхвысокого вакуума позволили использовать термоэмиссионные катоды с меньшей температурой накала, что способствовало уменьшению монохроматических аберраций. Параметры таких источников электронов стали сравнимы с параметрами традиционных РЭМ: ускоряющее напряжение UA = 25 - 30 кэВ и dp = 30 – 100 нм. Такие усовершенствования сделали возможным переход от микроанализа к наноанализу в методе электронной оже-спектроскопии, в соответствии с основными требованиями, предъявляемыми к науке о наноэлектронике и наноструктурированных материалах. Будучи оснащенным оборудованием для профилирования по глубине, т.е. источником ионов, метод РОМ позволяет выполнять трехмерный наноанализ [25].

В данной работе впервые будут рассмотрены возможности растровой оже-микрокопии в области исследования одиночных самоорганизованных нанокластеров GexSi1-x/Si с наномеровым пространственным разрешением.

В 1969 году Л. Есаки и Р. Тсу [26] впервые сделали предположение о том, что электронная структура полупроводников может конструироваться путем создания полупроводниковых гетероструктур с эпитаксиальными фундаментальная концепция может считаться отправной точкой для развития новой области твердотельной электроники - создание устройств на основе квантовых ям, квантовых нитей и квантовых точек с определенными заданными параметрами (толщиной, геометрией, составом и др.). Примером таких устройств на основе гетероструктур могут служить транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) [27], гетеро-биполярные светоизлучающие диоды [30], полупроводниковые лазеры [31], ИКфотодетекторы на КЯ [32] и КТ [33], квантовые каскадные лазеры, излучаюшие в среднем ИК-диапазоне [34] и др. Большинство из структур, демонстрирующих новое научное направление, были созданы на основе гетероэпитаксии полупроводников AlxGa1-xAs/GaAs, вследствие относительно простой и хорошо изученной зонной структуры и прямых основных оптических переходов в таких полупроводниках (при x < 0.45). Кроме этого, гетероэпитаксия полупроводников AlxGa1-xAs/GaAs обладает большой гибкостью по геометрическим параметрам вследствие небольшого рассогласования решеток. Тем не менее, полупроводниковая электроника и, в особенности, микроэлектроника основана на кремниевой технологии, освоенной и хорошо развитой для формирования интегральных схем.

Поэтому много усилий прилагается для создания гетероструктур, гетероструктуры на основе полупроводников четвертой группы. Также гетеронаноструктуры могут обладать свойствами, недоступными для объемного кремния, что позволяет создавать на их основе новые приборы микро- и наноэлектроники.

Наноструктуры, созданные методом самоорганизованного роста в результате гетероэпитаксии кремния и германия имеют дополнительные практические преимущества для создания квантоворазмерных структур с заданными электронными и оптически свойствами. Эти свойства могут варьироваться в широком диапазоне путем изменения ростовых параметров и, как следствие, изменения геометрии и элементного состава нанокластеров.

1.1. Самоорганизованные нанокластеры GeSi, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии Нанокластеры GeSi самоформируются по механизму СтранскиКрастанова [35]. Различие в параметрах решетки германия и кремния приводит к образованию двухмерных напряжений в псевдоморфном слое GexSi1-x на (001) кремниевой подложке с векторами, лежащими в плоскости подложки, модули которых примерно пропорциональны содержанию Ge || = xx = yy = (Si - Ge) / GeSi 0.04 x. Тогда из уравнения Пуассона:

0.03 x [36, 37]. Отсюда, параметр решетки релаксированного слоя Ge на (001) Si примерно на 7% больше, чем параметр решетки кремния.

Двухмерное напряжение GeSi слоя в направлении роста приводит к образованию упругой энергии, величина которой пропорциональна квадрату напряжения. Упругая энергия растет линейно с увеличением толщины слоя и в результате приводит к релаксации путем образования трехмерных кластеров (Рис. 1) при концентрации Ge x > 0.5. При x < 0.5 релаксация происходит путем образования дислокаций несоответствия. Критическая толщина слоя германия, при котором происходит переход к трехмерному росту, составляет 5 МС.

Рис. 1. Схема локального искажения кристаллической решетки и релаксации упругих напряжений (а) и переход к образованию островков по механизму Странски-Крастанова (б).

Упругие напряжения, возникающие в островках GeSi/Si, влияют на скорость диффузии кремния из подложки в нанокластер в процессе формирования и, соответственно, на распределение германия и кремния в кластере, Расчет распределения упругих напряжений в пирамидальных островках GeSi производился в работе [38] с помощью разработанного оригинального метода. На Рис. 2 представлены изолинии упругих напряжений в квантовой точке GeSi с латеральным размером основания 15 нм и КТ с латеральным размером 10 нм. Расчет производился для КТ высотой около 5 нм, зарощенных сверху слоем кремния. Распределения упругих напряжений и величины деформаций в КТ с двумя различными геометрическими параметрами почти одинаковы. Полученная картина распределения упругих напряжений показывает, что наиболее напряженной областью внутри островка является контур вблизи основания пирамиды, а наиболее релаксированной - область около вершины КТ. И, наоборот, в материале окружения островка область вблизи вершины является наиболее напряженной. Внутри квантовой точки в плоскости основания происходит сжатие, а по вертикали - растяжение.

Рис. 2. Распределение упругой энергии в квантовой точке GeSi и ее окрестности в плоскости (100), проходящей через ось пирамидального островка. Цифрами указаны значения энергии в единицах 10-4 эВ, приходящейся на один атом. Стрелками показано направление возрастания энергии. Расстояние между изолиниями составляет 510-4 эВ внутри КТ и 10-4 эВ в окружении пирамиды[38].

Исследование распределения упругих напряжений необходимо для последующего расчета энергетического спектра КТ на основе Ge и Si, определяющего электрические и оптические свойства самоорганизованных островковых структур.

Геометрия наноостровков, полученных методом молекулярно лучевой эпитаксии, представлена на Рис. 3, где приведены ПЭМ и АСМ-изображения германиево-кремниевых нанокластеров различной формы.

Рис. 3. ПЭМ-изображения (слева) и соответствующие АСМизображения нанокластеров (справа): "hut" (a) и "dome" (b), выращенные на подложке Si (001) "barn"- кластеры (с), выращенные на подложке с ориентацией (111). Различные кристаллографические направления граней обозначены на АСМ-изображениях [39].

По мере увеличения толщины осаждаемого слоя энергия повышается до критического уровня, после которого упругое релаксирование более невозможно, и дальнейший рост сопровождается уменьшением энергии за счет образования дислокаций (Рис. 4). Критическая толщина для слоя германия (или GexSi1-x), осаждаемого на кремниевую подложку зависит от концентрации x и температуры роста [40].

Рис. 4. ПЭМ-изображение дислоцированного кластера GeSi/Si 1.1.1. Технология формирования гетероструктур Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) – широко распространенная методика осаждения полупроводниковых соединений для формирования тонких слоев и выращивания многослойных структур. Для роста кремния в методе МЛЭ молекулярный пучок Si подается на чистую поверхность кремниевой подложки в сверхвысоковакуумной камере с давлением остаточных газов около 10-10 Торр. Электронно-лучевое испарение кремния обычно происходит в автотигельном режиме, тогда как для испарения германия применяется ячейка Кнудсена, с азотной охлаждающей оболочкой, предотвращающей испарение материала со стенок ячейки и поддерживающей высокий вакуум вблизи образца. Ячейка Кнудсена также применяется для лучевого испарения примесей, таких как Ga, Al и B для pтипа и P, As, Sb для n-типа. Вследствие низкого давления в ростовой камере возможно применение таких методов контроля ростовой поверхности, как дифракция быстрых электронов на отражение и вторично-ионная масс спектроскопия (ВИМС) для контроля состава выращиваемых структур. В частных случаях, в процессе роста можно контролировать топографию структур методами СЗМ и РЭМ.

Помимо электронно-лучевого испарения используют газофазные источники Ge и Si (SiH4, Si2H6, GeH4, Ge2H6). В молекулярно-лучевой эпитаксии с газофазным источником, например, Si может испаряться электронно-лучевым способом, а Ge осаждается на поверхность из германа.

Кроме этого, эпитаксию можно проводить методом сублимации из твердофазного источника кремния, который разогревается до температуры >1000°C путем пропускания электрического тока через полупроводниковый стержень.

Фундаментальные процессы, происходящие при эпитаксиальном росте, отражены на Рис. 5.

терраса ступень Рис. 5. Схема процессов, происходящих при молекулярнолучевом осаждении Ge или GeSi на кремниевую подложку.

Поток атомов германия и кремния из твердотельного источника в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии точно контролируется, т.е.

скорость осаждения может быть точно определена. Пучок может быть мгновенно перекрыт заслонками, что в совокупности позволяет создавать многослойные структуры с заданными толщинами слоев. Процесс осаждения германия происходит обычно при температуре подложки 300 - 750°С.

Десорбция осажденных атомов имеет место при температурах выше 850°С, т.е. в стандартных режимах осаждения она не проявляется. При достаточно высокой температуре подложки (600 - 650°C) в процессе миграции по поверхности атомы могут достичь ступеней роста или островков, где они агломерируются.

1.1.2. Сегрегация и интердиффузия в GeSi гетероструктурах Сегрегация и интердиффузия имеют место для всех элементов (Ge, Si, C, Sn) в твердом растворе и для примесных элементов: P, B, Sb и As, применяемых в кремниевой эпитаксии. Сегрегация сильно влияет на свойства гетерограниц, ухудшая их резкость. Процесс сегрегации Ge на Si происходит вследствие меньшей энергии связи на поверхности, поэтому она энергетически выгодна, но длина сегрегации зависит от температуры подложки [42], что дает возможность изменять воздействие этого процесса на распределение элементов вблизи гетерограницы.

Интердиффузия Ge и Si также оказывает большое влияние на распределение элементов в твердом растворе GeSi, а при переходе к трехмерному росту островков ее влияние увеличивается. Наличие упругих напряжений в нанокластере приводит к неравномерному распределению германия по глубине островка.

Как будет показано ниже, сегрегация и интердиффузия приводят к преимущественному распределению германия вблизи поверхности островка и постепенному уменьшению концентрации Ge в направлении основания.

1.1.3. Гетероструктуры с однородными массивами GeSi кластеров Для применения в нанотехнологии массивы самоорганизованных нанокластеров должны удовлетворять требованию однородности: т.е. размер островков должен быть одинаковым. Это может достигаться, например, путем предварительного выращивания слоя GeSi на поверхности подложки.

В работе [43] для упорядочения островков в плоскости подложки применялся метод среза материала подложки под различными углами (от 0.32° до 10°) к направлению (001). На Рис. 6 приведен пример структуры, полученной осаждением Ge на предосажденный на подложку Si (001) с углом рассогласования = 1.5° слой Ge0.45Si0.55. Возникающие при выращивании предварительного слоя GeSi ступени, способствуют образованию упорядоченных массивов островков.

Рис. 6. Гексагонально-упорядоченная структура с GeSi наноостровками, выращенными на подложке Si (001) с углом разориентации 1.5° с буферным слоем Ge0,45Si0,55 [43].

Для многослойных островковых гетероструктур вертикальное упорядочение происходит автоматически [44]. Этот эффект возникает вследствие наличия упругих напряжений. Так, упругие напряжения островков нижнего слоя определяют положение точки зарождения кластера последующего слоя (Рис. 7).

Рис. 7. ПЭМ-изображение многослойной структуры GeSi с самоупорядоченными вертикально нанокластерами [44].

однородными массивами островков, упорядоченными как в плоскости роста, так и вертикально, имеют большее значение интенсивности фотолюминесценции с более узкой по энергии линией ФЛ, нежели островковые структуры с разупорядоченными кластерами различной формы и размеров. Таким образом, приборы на основе наноструктуры с однородными нанокластерами (фотодетекторы, лазеры) будут обладать наилучшими характеристиками (чувствительностью, интенсивностью излучения и т.п.).

1.1.4. Зонная структура GeSi наноостровков При образовании гетеросистемы относительное расположение энергетических зон по обе стороны от гетерограницы определяется структурой и составом входящих в структуру полупроводниковых материалов [45]. Если зонная диаграмма обеспечивает низшее состояние по энергии как для электронов, так и для дырок в одном из двух входящих в систему полупроводниковых материалов, то гетероструктура относится к типу. Если низшее энергетическое состояние для электронов находится в одном материале, а для дырок - в другом, то такая система относится ко типу. Следовательно, в гетероструктурах 2 типа с двумя гетеропереходами образование потенциальной ямы возможно лишь для одного типа носителей.

Для другого типа носителей будет существовать потенциальный барьер.

Структуры с нанокластерами GeSi относятся ко 2 типу гетеросистем с потенциальной ямой для дырок и барьером для электронов.

В кластерах одного материала в объеме другого вещества ограничение движения носителей заряда осуществляется во всех трех направлениях. В отличие от гетероструктур с квантовыми ямами и квантовыми нитями свойства электронов и дырок в гетероструктурах с КТ нельзя описать на основе представления о газе квазичастиц. Применение представлений о локализованных состояниях в нанокластерах является одним из успешных способов описания. Радиус локализации электронов или дырок в наноостровке сравним с его размером и часто превышает Боровский радиус полупроводниках. Вместе с тем, энергетический уровень в КТ может быть глубоким, и в этом состоит еще одна особенность квантовых точек - они подобны примесным центрам с глубокими уровнями.

Локализация заряда в КТ приводит к изменению хода потенциала в материале окружения точки. Следствием такого изменения является возможность образования потенциальной ямы вокруг КТ для носителей противоположного знака и формирования связанных состояний в такой яме.

В гетероструктурах 2 типа локализованные состояния для электронов и самосогласованных потенциальных ямах. Находящиеся в этих состояниях электроны и дырки пространственно разделены между собой, и переход между этими состояниями является непрямым в пространстве. Электронные процессы, происходящие в системах с КТ, изучались оптическими методами в [46, 47, 48]. В работах [49, 50] были использованы электрические методы для исследования дискретного энергетического спектра в ансамбле самоформирующихся квантовых точек для исследования эффектов кулоновского взаимодействия при переносе заряда и для определения сечений захвата носителей на локализованные состояния.

Концентрация германия x в структурах GexSi1-x влияет на упругие напряжения и на зонную структуру GeSi гетеросистем. Зависимость ширины запрещенной зоны в упругонапряженных и ненапряженных GeSi слоях, выращенных на кремнии, в зависимости от концентрации Ge [51] показана на Рис. 8.

Рис. 8. Зависимость ширины запрещенной напряженного псевдоаморфного слоя GeSi выращенного на кремнии от концентрации германия х (на рисунке линии подписанные, как "strained SiGe on Si"). Обозначения HH и LH отвечают тяжелым и легким дыркам соответственно. Для сравнения приведена зависимость изменения ширины запрещенной зоны для ненапряженного твердого раствора GeSi, обозначенная как "unstrained bulk" [51].

Вследствие упругих напряжений частично снимается 6-кратное вырождение -долин в зоне проводимости, и происходит расщепление на две группы: 4-кратно вырожденные и 2-кратно вырожденные -долины. 2-кратно вырожденные -долины ориентированы по направлениям [100] и [ 100] и при концентрации Ge x < 0.85 расположены ниже L-долин, что приводит к преимущественной локализации связанных электронов в 2 -долинах. В валентной зоне также происходят изменения, вследствие наличия напряжения в слое GeSi: вырожденные долины для тяжелых и легких дырок разделяются, и изменяются энергии спин-орбитального (SO) расщепления (Рис. 9).

Рис. 9. Валентная зона объемного кремния (слева) и твердого раствора Ge0.4Si0.6 на кремнии (справа) [51].

Таким образом, при оптических и электрических методах исследования GeSi гетероструктур с КТ, в оптических переходах в основном участвуют пространственно непрямые экситоны с электронами на 2 -уровнях и тяжелыми дырками. В работе [52] детально рассмотрено положение этих долин в зависимости от концентрации германия; результаты представлены на Рис. 10.

Рис. 10. Зависимость положения уровня 2-электронов и тяжелых дырок (hh) от содержания германия в островках.

Стрелками показана область энергий, в которой наблюдается фотолюминесценция от островков, и соответствующий этим энергиям состав островков. На вставке представлена схема квазипрямых оптических переходов [52].

нанокластерами GeSi/Si представлена на Рис. 11.

наноостровками GeSi/Si.

Моделирование зонной структуры систем с самоформирующимися GeSi НК дает возможность изменять оптические и электрические свойства необходимыми для применения в конечных приборах. Изменение геометрии островков, содержания германия и кремния в них вследствие изменения параметров роста позволяет изменять энергию межзонных переходов.

самоорганизованного роста структур на основе Ge и Si для создания приборных структур с заданными свойствами. При этом диагностика состава - в особенности локального – является необходимым условием для установления зависимости между оптическими и электрическими свойствами наноразмерных германиево-кремниевых структур и условиями ростового процесса.

1.2. Диагностика состава полупроводниковых наноструктур использующихся для диагностики состава твердотельных структур в данной работе, прежде всего, будут рассмотрены методы, применяющиеся в настоящее время для анализа нанообъектов. В особенности интересны их применимость и информативность при исследовании состава нанокластеров GeSi/Si.

1.2.1. Просвечивающая электронная микроскопия Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) в последние несколько лет стала наиболее мощным средством для исследования структуры, физических и химических особенностей материалов твердотельной наноэлектроники. В значительной мере этому способствовало развитие электронной микроскопии: уменьшение размера катода, улучшение характеристик монохроматичности, создание сканирующего ПЭМ, коррекция аберраций различными способами, дополнение просвечивающего микроскопа анализаторами, превращающими ПЭМ в инструмент для определения физических и химических свойств материала. Аппаратура для энергодисперсионного рентгеновского микроанализа и спектроскопии электронных потерь обычно входит в состав всех современных просвечивающих электронных микроскопов. На Рис. 12 схематично представлен механизм взаимодействия электронного пучка с материалом образца, а также вторичное излучение и вторичные электроны, способные нести информацию о структуре и элементном составе материала пробы.

Рис. 12. Взаимодействие первичного электронного пучка и получаемая аналитическая информация.

На Рис. 13 представлена схема детектирования АС различными анализаторами. Такие аналитические приставки, как рентгеновский энергодисперсионный спектрометр, электронный Оже-спектрометр, детектор электронных микроскопах, нашли широкое применение и в сканирующем ПЭМ. За счет субнанометрового размера электронного зонда разрешение таких спектрометров составляет единицы нанометров.

1. Рентгеновская энергодисперсионная спектроскопия (РЭДС) 2. Электронная оже-спектроскопия/ сканирующая ожемикроскопия (ЭОС/СОМ) 3. Растровая электронная микроскопия (РЭМ), вторичноэлектронная спектроскопия (ВЭС) 4. Угловые ПЭМ-изображения в темном поле (УТП) 5. Когерентная электронная нанодифракция (КЭНД) 6. Спектроскопия характеристических потерь энергий 7. ПЭМ-изображения в темном и светлом поле (ТП/СП) Рис. 13. Схема просвечивающей электронной микроскопии и основные анализаторы, применяемые в методе.

Рентгеновская энергодисперсионная спектроскопия Рентгеновский энергодисперсионный спектрометр (РЭДС) детектирует рентгеновское излучение, эмитированное из материала образца вследствие распределения элементов по поверхности и производить количественный элементный анализ с пространственным разрешением 1-5 нм. В работе [53] исследовались различия в профилях распределения германия в квантовых ямах (КЯ) в зависимости от условий и методик роста. На Рис. представлена карта распределения германия в структуре с GeSi с КЯ в поперечном сечении.

Рис. 14. Карта распределения (a) и профиль распределения Ge (b) для структуры, выращенной методом газофазной эпитаксии.

Карта распределения (c) и профиль распределения Ge (d) для структуры, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии [53].

В работе [54] методом ПЭМ исследовались структурные и химические свойства GeSi наноостровков, выращенных на кремниевой подложке. На Рис.

15 показано ПЭМ изображение на поперечном срезе и распределение Ge и Si энергодисперсионного рентгеновского спектрометра. Разрешение по глубине для профиля распределения Ge составило 5 нм.

распределение Ge и Si по глубине кластера (б) [54].

В [55] методом просвечивающей электронной микроскопии исследовался состав зарощенных кремнием квантовых точек GeSi. На Рис. приведена карта распределения германия и кремния в квантовой точке на поперечном срезе структуры, полученная с использованием РЭДС.

Рис. 16. Карта распределения германия (a) и кремния (b) в островке. Результат деления двух изображений Ge/Si (c) [55].

Итак, просвечивающая электронная микроскопия с дополнительным рентгеновским энергодисперсионным спектрометром позволяет производить элементный анализ полупроводниковых нанообъектов с пространственным разрешением 1-5 нм. Но такое разрешение может быть достигнуто при очень качественной подготовке исследуемой структуры. Толщина поперечного среза в месте нахождения нанокластера не должна превышать единиц нанометров. При утолщении среза каскад столкновений, формируемый первичными электронами, будет расширяться, что приведет к увеличению области формирования рентгеновского излучения и, как следствие, к потере локальности.

Спектроскопия характеристических потерь энергий электронов Спектроскопия электронных потерь широко применяется для изучения спектров возбуждения атомов, молекул и твердых растворов. В этом методе измеряется распределение энергии неупруго-рассеянных электронов после подачи на тонкий срез первичного пучка относительно энергии первичного электронного зонда. Такое распределение энергии называется спектром характерических потерь электронов и отражает процессы возбуждения материала мишени. Помимо фононных и плазмонных возбуждений, имеющих энергии 10 - 100 мэВ и 1 - 50 эВ соответственно, из этого спектра можно получить информацию об элементном составе и химических связях в материале исследуемой мишени, рассматривая высокоэнергетичные потери (несколько сотен электрон-вольт), связанные с взаимодействие первичного пучка с электронами внутренних уровней. Также, можно извлечь дополнительный АС, измерив угловое распределение энергии неупругорассеянных электронов, их поляризацию и др.

Применяя в методе сканирующей ПЭМ спектрометр для измерения потерь энергий электронов, в работе [56] была показана возможность проведения локального элементного анализа с разрешением около 1 – 2 нм.

На Рис. 17 показаны КЯ и профили концентрации, полученные методом СХПЭЭ на базе ПЭМ.

Рис. 17. ПЭМ изображение (a) квантовой ямы SrTiO3 в (La, Ca) MnO3 и величина характеристических потерь в направлении роста структуры (b) [56].

С помощью метода СХПЭЭ можно получать карты распределения элементов по поперечному срезу или в плоскости роста, используя спектрометр как фильтр энергий электронных потерь. Такой метод также называется просвечивающей электронной микроскопией с фильтром энергий (ЭФПЭМ) В работе [57] исследовался состав B-C-N нанотрубок, выращенных методом газофазной эпитаксии и пиролитическим осаждением.

На Рис. 18 представлены карты распределения бора, азота и углерода в нанотрубке.

Рис. 18. ПЭМ-изображение (при потерях энергии электронов, равных нулю) и карты распределения бора, углерода и азота для нанотрубки, выращенной мтодом газофазной эпитаксии (а).

Поперечные профили концентрации бора и углерода в нанотрубке (б) [57].

В этой же работе изучался элементный состав различных керамик. При этом было получено пространственное разрешение, равное 0.5 нм (Рис. 19).

Рис. 19. Карта распределения кислорода (а) для керамического монокристалла 33R-Al11O3N9 и профиль концентрации кислорода (б) [57].

В работе [58] спектроскопия характеристических потерь энергий электронов была применена для исследования состава GeSi нанокластеров.

На рис. 20 показано ПЭМ-изображение КТ GeSi в темном поле и профиль распределения концентрации германия от основания нанокластера к его вершине.

Рис. 20. ПЭМ-изображение наноостровка GeSi и профиль распределения концентрации германия, полученный методом СХПЭЭ на поперечном срезе [58].

Итак, спектроскопия характеристических потерь энергий электронов в методе просвечивающей электронной микроскопии является эффективным методом элементного анализа и изучения химических связей в нанометровом (0.5 – 2 нм) масштабе размеров. Проблемой метода спектроскопии ХПЭЭ является сложность интерпретации спектров, а также проведение количественного анализа. Кроме того, очень сложна и трудоемка подготовка образцов для исследования методом ПЭМ.

Томография в просвечивающем электронном микроскопе Кроме ставших уже традиционными для просвечивающей электронной микроскопии методов исследования локального состава, существуют довольно сложные в применении, но показательные методы ПЭМ, позволяющие проводить диагностику состава нанобъектов. Одним из таких методов является ПЭМ-томография. Реконструирование нескольких проекций сканирующей ПЭМ с использованием специального программного обеспечения позволяет получать 3-х мерные образы нанообъектов [59]. Такая методика подходит для 3-х мерного отображения зарощенных нанообъектов, каковое не может быть получено с использованием стандартного ПЭМ.

1.2.2. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия с нанозондом (наноЭСХА) В методе рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) анализируется кинетическая энергия электронов эмитированных внутренними оболочками атомов под воздействием характеристического рентгеновского излучения (обычно CuK, AlK или MgK). Электроны эмитируются с глубины 3 - 8 монослоев, и их энергия варьируется в пределах 0 – 2000 эВ. Чувствительность РФЭС сравнима с чувствительностью электронной Оже-спектроскопии и составляет порядка 1 % для большинства элементов. Метод РФЭС позволяет более четко детектировать химические сдвиги, нежели ЭОС, что позволяет изучать химические связи на поверхности структур.

До недавнего времени метод РФЭС применялся для исследования объектов на поверхности, размер которых был более десятков микрометров.

В связи с применением новых оптических систем, новой геометрии источников, размер объектов на поверхности, разрешаемых этим методом был уменьшен до нескольких десятков нанометров. Новая методика получила название нано-ЭСХА. Это позволило проводить исследования состава объектов субмикронного и в отдельных случаях нанометрового масштаба [60]. Схема метода нано-ЭСХА приведена на Рис. 21.

Рис. 21. Схема метода нано-ЭСХА. Три части спектрометра отвечают за: 1) РФЭС, 2) селективная спектроскопия поверхности и 3) фильтрованное по энергии изображение метода ЭСХА [60].

Для определения латерального разрешения метода нано-ЭСХА была выращена структура с ямами различной ширины. Линии, имеющие размер 300 нм, хорошо разрешимы (см. Рис. 22), а линии имеющие размер 80 нм видимы, но периодическая структура пространственно не разрешена. В работе было оценено пространственное разрешение, составившее около 120 нм.

Рис. 22. Изображение скола гетероструктуры AlGaAs/GaAs со слоями AlGaAs различной толщины в фотоэлектронах (а), линия Al (2p), полученная при энергии фотонов 150 эВ.

Соответствующий профиль концентрации алюминия (б) и схема образца (в) [60].

Помимо элементного анализа метод наноЭСХА позволяет проводить исследование химического состояния элементов образца, как и в классическом методе РФЭС. Очевидным недостатком метода наноЭСХА является низкая чувствительность, которая связана с двойной фокусировкой полусферическими анализаторами, существенно понижающей интенсивность выходного сигнала.

1.2.3. Статическая вторично-ионная масс-спектроскопия Метод статической вторичной масс-спектроскопии (ВИМС) основан на анализе по массе положительных или отрицательных ионов, эмитированных из образца в результате процесса вторичной ионной эмиссии под воздействием первичного пучка ионов. Кроме отдельных ионов ВИМС позволяет исследовать комплексы. ВИМС имеет значительно большую чувствительность, чем методы ЭОС и РФЭС, но масс-спектры гораздо более сложны для интерпретации и количественного анализа вследствие влияния матрицы образца. В связи с развитием методик фокусированного ионного пучка, все современные ВИМС позволяют получать карты распределения элементов и комплексов по поверхности с разрешением около 120 нм. На Рис. 23 показана карта распределения комплекса AlLi+ (темные области) по поверхности Al3Li сплава [61]. Разрешение статической ВИМС составляет около 150 нм.

Рис. 23. Карта распределения фазы AlLi по поверхности Al3Li сплава (a) и ПЭМ изображение поверхности структуры (б) [61].

Современные нано-ВИМС позволяют проводить химический анализ с латеральным разрешением порядка 80 - 100 нм. При уменьшении диаметра сфокусированного ионного зонда уменьшается область эмиссии вторичных ионов и, соответственно, падает интенсивность сигнала.

1.2.4. Ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия исследовать оптические свойства поверхности с разрешением порядка 50 нм.

Ближнепольная микроскопия – один из методов сканирующей зондовой микроскопии, сходный по своим принципам и применению с атомно-силовой микроскопией, но обладающий аналитическими возможностями оптической микроскопии. Ближнепольный микроскоп может оснащаться дополнительными аналитическими методиками такими, как спектроскопия комбинационного рассеяния света (Рамановская спектроскопия), спектроскопия фотолюминесценции, оптического отражения и пропускания и т.п. Такой комплексно-оборудованный микроскоп превращается в мощный аналитический прибор, позволяющий проводить исследования состава с нанометровым разрешением.

В работе [62] методом инфракрасной спектроскопии ближнего поля исследовались золотые нанокластеры осажденные на кремниевую подложку методом газофазной эпитаксии. На Рис. 24 показана топография структуры с золотыми кластерами частично закрытыми полоской полистирола и изображение кластеров на длине волны = 633 нм. Разрешение составляет около 60 нм.

Рис. 24. Топография структуры, полученная методом БСОМ (a), пространственное распределение коэффициента оптического отражения (b), профили изображений (c), (d) [62].

В работе [63] методом сканирующей ближнепольной рамановской спектроскопии исследовался состав стекольных керамик. На Рис. приведено изображение, полученное методом сканирующей рамановской спектроскопии. Разрешение метода для этих структур составило около 50 нм.

Рис. 25. Пространственное распределение отношения амплитуд пиков TiO2 и PO4 в спектре комбинационного рассеяния света на поверхности образца Ca-Ti-P керамики [63].

Таким образом, различные виды ближнепольной сканирующей оптической микроскопии позволяют, хотя и не напрямую, получать карты распределения элементов и химических соединений по поверхности исследуемых образцов с пространственным разрешением 50 – 100 нм. По интенсивности сигнала можно проводить полуколичественный анализ, т.е.

оценивать локальное распределение компонентов.

Обобщенная информация по методам, охарактеризованным выше, представлена на Рис. 26.

вся химическая структурные св-ва связей и состояния свойства материала простой контраст (напр. топография) Рис. 26. Краткая характеристика некоторых методов анализа и диагностики поверхности и тонких пленок.

Каждый из приведенных выше методов исследования состава твердотельных структур имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с используемым в данной работе методом сканирующей ожемикроскопии. Сравнительные характеристики приводятся в таблице 1.

Таблица 1. Преимущества и недостатки рассмотренных аналитических методов по сравнению с методом СОМ.

Самыми информативными и широко применяющимися методами из рассмотренных выше являются ПЭМ и ВИМС. Как видно из таблицы методом, имеющим наилучшее разрешение, является просвечивающая исследования локального состава структур. Тем не менее, метод ПЭМ имеет существенный недостаток, связанный со сложностью и трудоемкостью процесса подготовки поперечного среза. Сложность пробоподготовки возрастает при исследовании нанообъектов, т.к. необходимо, чтобы срез проходил через островок. Кроме этого, различные методы препарирования (шлифовка, ионное травление и т.д.) влияют на состав нанокластера, перемешивая компоненты в образце в процессе изготовления поперечного среза.

Достоинствами ВИМС являются высокая чувствительность и возможность одновременного профилирования структур по глубине. Но, если переходить к ВИМС с тонкосфокусированным ионным зондом, то здесь возникают определенные трудности в применении этого метода. При фокусировке ионного зонда до нанометрового диаметра необходимо увеличивать энергию ионов, следовательно, будет увеличиваться глубина ионного перемешивания, что, в свою очередь, приведет к ухудшению разрешения по глубине. Существуют методы, позволяющие снизить влияние ионного перемешивания, например, нанесение слоев из материала, отсутствующего в исходном образце. При этом нанесенный слой будет являться буфером, препятствующим перемешиванию атомов основных элементов. Но такая процедура очень трудоемка и не всегда возможна.

Методы наноЭСХА и БСОМ имеют свои преимущества, но общим их недостатком является малая пространственная локальность. Метод БСОМ с оборудованием для спектроскопии комбинационного рассеяния света редко применяют для исследования в наномасштабе. В основном, область применения этих методов лежит в масштабе единиц микрометров.

1.3. Методы исследования структурных, оптических и электрофизических свойств гетероструктур с нанокластерами GeSi Перечисленные ниже методы, помимо определения структурных, электрофизических и оптических свойств самоорганизованных GeSi наноструктур, могут быть применены для расчета концентрации германия и кремния в наностровках. Конечно, данные о концентрации при этом будут усреднены для всего массива нанокластеров, и на результат будет влиять наличие смачивающего слоя германия. Тем не менее, данные методы могут быть использованы для оценки средней концентрации германия и кремния в островках, для подтверждения результатов, полученных локальными методами анализа, а также для определения связи между концентрацией компонентов, структурными и оптическими свойствами самоорганизованных структур.

1.3.1. Рентгеновская дифракция и спектроскопия комбинационного рассеяния Методы двухкристальной рентгеновской дифрактометрии и рамановской спектроскопии (спектроскопии комбинационного рассеяния света) позволяют изучать упругие напряжение в наноостровках и определять элементный состав кластеров. Недостатками методов является то, что, вопервых, они могут применяться только для исследования массивов островков, однородных по геометрическому размеру, и, во-вторых, при определении состава нанокластеров на конечное значение концентрации оказывает влияние смачивающий слой Ge. В случае рентгеновской дифракции этим влиянием пренебрегают, считая, что погрешность, вносимая пятью монослоями смачивающего слоя, мала.

В стандартном одномерном /2 рентгенодифракционном методе результирующая кривая качания является функцией концентрации Ge x и относительной деформации кристаллической решетки. Для определения этих двух параметров материала кластеров GeSi используется построение двухмерной карты углового распределения интенсивности вблизи рефлексов (004) и (224) [64].

спектроскопии комбинационного рассеяния света основано на измерении частот линий Si – Si, Ge – Ge и Ge – Si (Рис. 27, b). Зная частоты фононфононного взаимодействия, можно определить соотношение между этими частотами, концентрацией x и деформацией [65].

где, фононные частоты в см-1 и значения в %.

Рис. 27. а - кривые качания, полученные методом двухкристальной рентгеновской дифрактометрии вблизи рефлекса (004); b - спектры комбинационного рассеяния [65].

1.3.2. Спектроскопия фотолюминесценции и фотоЭДС Исследование оптических и фотоэлектрических свойств гетероструктур фотолюминесценции и различных фотоэлектрических эффектов, то есть:

фототока короткого замыкания или фотоЭДС холостого хода p – i - n диодов или диодов с барьером Шоттки, поверхностной фотоЭДС и т.п., также может исследования состава состоит в определении значений энергий межзонных и межподзонных оптических переходов в нанокластерах. Это осуществляется путем анализа спектров ФЛ и фоточувствительности, связанных с этими переходами. Искомые значения концентрации Ge в нанокластерах x получаются на основе модели, связывающей энергии оптических переходов с геометрическими размерами нанокластеров и состава их материала методом подгонки до наилучшего соответствия расчетных и экспериментально измеренных энергий переходов. Поскольку концентрация Ge x выступает при этом как подгоночный параметр модели, то сам метод следует отнести к непрямым (косвенным или расчетным).

Так или иначе, в нескольких работах авторов [66] был произведен анализ оптических и фотоэлектрических спектров и получены данные о концентрации Ge в нанокластерах GeSi/Si. Эти данные частично были использованы в четвертой главе для подтверждения результатов элементного анализа некоторых структур, исследованных в настоящей работе.

1.4. Выводы На сегодняшний день, если говорить о локальности анализа, метод просвечивающей электронной микроскопии с дополнительным аналитическим оборудованием для определения состава твердотельных структур является непревзойденным. При его использовании аналитический сигнал собирается из объема в несколько кубических ангстрем. Основной и существенной проблемой метода ПЭМ является подготовка образцов для исследования. Задача исследования нанообъектов вносит в процесс препарирования структур еще бльшую сложность, и при неправильной подготовке образца локальность непременно теряется.

Вторично-ионная масс-спектрометрия является одним из наиболее чувствительных методов анализа. При этом сфокусированный ионный зонд позволяет проводить анализ с пространственным разрешением в сотню нанометров. Недостатком метода является уширение области сбора информации за счет перемешивания атомов исследуемого образца под воздействием первичных ионов. Кроме того, на сегодняшний день латеральная локальность не превосходит 100 нанометров.

Существует еще целый ряд методов, которые потенциально могут дать информацию о локальном (в нанометровом масштабе) распределении концентрации элементов твердотельных структур. Но каждый из таких методов требует развития и доработки для применения к конкретному объекту исследования - в данном случае к изучению наноструктур GeSi/Si.

Глава 2. Методика эксперимента Помимо физических основ методов электронной оже-спектроскопии и растровой электронной микроскопии, в этой главе будут рассмотрены характеристики исследовательского оборудования, на котором производились исследования. Понимание принципов формирования аналитического сигнала в методе сканирующей оже-микроскопии и зависимости АС от параметров измерительного устройства необходимо для дальнейшего обсуждения правильности выбора режима измерений.

2.1. Основы метода сканирующей оже-микроскопии Метод сканирующей оже-микроскопии является комбинацией методов электронной оже-спектроскопии и растровой электронной микроскопии. Как будет показано далее, ввиду физических ограничений на глубину выхода характеристических оже-электронов (она составляет несколько монослоев), ЭОС представляет собой, по сути, метод для анализа поверхности образца.

Современные растровые электронные микроскопы имеют диаметр электронного зонда около 3 нм, - таким образом, при возбуждении ожеэлектронов зондом с малым диаметром возможно проведение локального элементного анализа поверхности с латеральным размером лишь немного превышающим это значение.

2.1.1. Метод электронной оже-микроскопии энергетического спектра электронов, испускаемых с поверхности твердого тела под действием тех или иных возбуждающих факторов.

В электронной оже-спектроскопии для возбуждения используется пучок электронов, называемых первичными электронами. Применяются первичные электроны с энергией от 1 до 30 кэВ. Часть энергии первичных электронов (Рис. 28) может быть передана в результате неупругого рассеяния электронам внутренних оболочек атомов, в результате чего последние, вместе с неупругорассеянными первичными электронами, могут эмитироваться с поверхности твердого тела. Эти электроны называют вторичными, их количество в спектре быстро падает с ростом энергии.

Образовавшаяся за счет неупругого столкновения вакансия на оболочке атома через короткое время ( ~ 10-16 с) заполняется электроном одного из вышележащих уровней. Избыток энергии может быть передан третьему электрону, кинетическая энергия которого зависит от разности потенциальных энергий начального (уровень K), промежуточного (L1) и конечного состояния (L2). Другим процессом может быть испускание рентгеновского кванта. При этом спектр эмиссии рентгеновских квантов будет характеристичным, и может быть использован для химического анализа; - соответствующий метод называют рентгеновской эмиссионной спектроскопией - или, если электронный зонд имеет малый диаметр (микрометры и менее), рентгеновским микроанализом. Спектр энергии таких электронов будет характеристичен для атомов каждого химического элемента.

Рис. 28. Схема процесса возбуждения электронов, приводящего к образованию Оже-электронов (I) или характеристического рентгеновского излучения (II).

В основе метода ЭОС лежат такие процессы, как ионизация внутренних атомных уровней первичным электронным пучком, безызлучательный оже-переход и выход оже-электрона в вакуум, где он регистрируется при помощи электронного спектрометра. Эффект Оже был рентгеновскими лучами.

На Рис. 29 качественно представлен типичный спектр электронов, испускаемых твердым телом под действием пучка высокоэнергетичных первичных электронов с энергией EP. На нем обычно наблюдаются сильный низкоэнергетическая полоса истинных вторичных электронов. Ожеэлектроны дают небольшие пики на кривой энергетического распределения N(E) на сильном фоне вторичных электронов.

Рис. 29. Типичный спектр вторичных, рассеянных и Ожеэлектронов.

Рассмотрим подробнее связь энергетического положения Оже-линии в спектре с энергетическим спектром атомов вещества. Пусть первичная вакансия образовалась в К-оболочке атома, соответствующий уровень имеет энергию ЕК (Рис. 28), и она заполняется электроном из L-оболочки, имеющим энергию ЕL1, а разность энергии ЕL1 – ЕК передается электрону с уровня L2. Энергия Оже-электрона будет где – совокупная работа выхода образца и первого электрода спектрометра.

Рассмотренный оже-переход идентифицируется как переход КL1L2.

Характерной особенностью метода оже-спектроскопии является то, что энергия оже-электронов не зависит от энергии электронов возбуждающего пучка, а определяется исключительно разницей энергий электронных уровней атомов элемента и, в некоторой степени, его химическим окружением.

Метод ЭОС, как и другие методы электронной спектроскопии, позволяет получать информацию о составе только приповерхностных слоев образца. Причиной этого является малая средняя длина свободного пробега электронов с энергией, типичной для оже-электронов (50 – 2000 эВ), вследствие их интенсивного неупругого рассеяния в твердом теле. Ожеэлектроны, отдавшие энергию на возбуждение плазменных колебаний, на возбуждение внутренних оболочек или на межзонные переходы, исключаются из наблюдаемых характеристических оже-пиков и становятся частью почти однородного фона вторичных электронов, на который накладываются оже-пики. Глубина выхода слабо зависит от вида матрицы, т.к. основные механизмы потерь включают в себя возбуждение электронов валентной зоны, а плотность валентных электронов не является сильно меняющейся функцией атомного номера. Фактически, эмиссия за пределы твердого тела оказывается заметной только для оже-электронов, испущенных атомами поверхности и приповерхностных слоев (2 – 5 монослоев). В силу этого, метод электронной оже-спектроскопии чувствителен к составу атомов на поверхности и нескольких приповерхностных слоев образца. Уже при наличии на поверхности исследуемого образца одного монослоя адсорбата, линии веществ, составляющих адсорбат, доминируют в оже-спектре. Ввиду этого, анализ твердых тел методом оже-спектроскопии необходимо проводить в условиях сверхвысокого вакуума [68] (р 10-10 Торр), позволяющего исследовать атомно-чистые поверхности.

Поскольку в оже-электронной эмиссии могут участвовать электроны валентных оболочек атомов, участвующих в образовании химических связей, форма линии и энергия максимума зависят от химического окружения атомов вещества. Таким образом, из оже-спектров можно получать информацию о химической связи в исследуемом веществе. Если имеется сильная химическая связь между двумя или большим числом атомов, то внутренние электронные уровни могут сдвинуться на несколько электронвольт по сравнению с их энергией в изолированных атомах (так называемые химические сдвиги). При ионной связи электронные уровни электроотрицательных элементов сдвигаются в сторону меньших энергий, а Соответствующий химический сдвиг в кинетической энергии оже-электрона наблюдается экспериментально. Если с изменением химического состава меняется электронная плотность состояний в валентной зоне, то наблюдается изменение формы оже-пиков, обусловленных переходами, в которых участвуют валентные электроны.

распределением электронной плотности в валентной зоне. Оже-электроны, выходящие с поверхности, могут терять дискретные количества энергии, отдавая ее на возбуждение плазмонов, ионизацию внутренних уровней, межзонные возбуждения, чему соответствуют различимые пики. В ожеспектре такие пики будут иметь характерные энергии, меньшие, чем энергия основной линии. При формировании тонкой структуры оже-спектра основное значение имеют плазмонные потери. Плазмоны – квазичастицы, которые могут создаваться быстрыми электронами, теряющими дискретные количества энергии на возбуждение коллективных колебаний плазмы твердого тела. Плазмонные потери энергии есть величина, характерная для данного твердого тела, и изменяющаяся при изменении химического состава.

Интерпретация спектров в методе ЭОС объединяет в себе задачи по математической обработке спектральных данных. Сглаживание спектральных зависимостей применятся для удаления шумов. Сглаживание может производиться по нескольким точкам, а также с использованием преобразования Фурье для удаления быстроизменяющегося сигнала или гармоник периодического шума. Вычитание фона, присутствующего вследствие различных неупругих взаимодействий регистрируемых электронов с материалом пробы, необходимо для корректного разложения спектральных линий на функции Гаусса и Лоренца. Простейшей операцией удаления фоновой составляющей является вычитание линейного фона, представляющего собой прямую, проведенную через начальную и конечную точку спектра. При этом критическим является правильный выбор начального и конечного значений энергии, так как это влияет на результирующий фон. В сложных случаях, когда неупругие процессы приводят к появлению ступеньки с низкоэнергетичной стороны оже-линии, необходимо применять специальные функции для построения математической модели неупругого фона. Широкое распространение получил, например, метод Ширли [69]. Вычитание нелинейного фона требует понимания процессов, приводящих к появлению фоновых электронов. Но связанные с появлением фона процессы неупругой эмиссии электронов необходимо отличать от трудноидентифицируемых пиков (обычно широких), появление которых связано с упругими процессами, как, например, сателлитные пики.

спектральных линий на функции Гаусса или Лоренца (или их суперпозиции) для определения физических процессов, влияющих на положение, форму и наличие тех или иных химических связей у изучаемых компонентов. Пример такого разложения приведен на Рис. 30 для дублетной LMM-линии серебра.

Counts Число отсчетов, тыс Рис. 30. Оже-линия серебра (переход MNN).

Гауссиана A отвечает переходу M5N45N45 и B - переходу M4N45N45.

Остальные гауссианы возникают за счет тонких эффектов в электронной структуре атомов серебра.

2.1.2. Метод растровой электронной микроскопии Растровый электронный микроскоп предназначен для исследования и анализа микроструктурных характеристик твердых тел. Основной причиной использования растрового электронного микроскопа является высокое достигающее в серийных приборах 3 – 10 нм. Другой важной чертой получаемых с помощью РЭМ изображений является их объемность, обусловленная большой глубиной фокуса прибора. На Рис. 31 приведен пример РЭМ-изображения из пресс-релиза производителя приборов РЭМ компании JEOL[70].

Рис. 31. Растровый электронный микроскоп производства компании JEOL JSM 7500F и РЭМ-изображение углеродных нанотрубок во вторичных электронах. Разрешение: 30 ангстрем Ряд источников информации в растровом электронном микроскопе, например, рентгеновское излучение, оже-электроны и др. несут в себе аналитический сигнал о компонентах, присутствующих в образце. Другие физические явления, которые могут изучаться путем взаимодействия электрона с материалом структуры, дают ее кристаллографические, магнитные и электрические характеристики.

тонкосфокусированным электронным зондом, создаваемым электронным источником. В РЭМ основной интерес представляет изменение вторичной электронной эмиссии, которое обусловлено разницей в топографии поверхности, при развертке электронного пучка в растр по поверхности образца. Эти вторичные электроны регистрируются детектором вторичных электронов. Сигнал с детектора вторичных электронов подается на ТВмонитор или в компьютер управления, на экране которых создается увеличенное изображение поверхности образца. Выход вторичных электронов ограничен областью вблизи площади, облучаемой пучком, - это позволяет получать изображение с высоким разрешением. Контраст изображения преимущественно зависит от угла наклона образца к электронному лучу. При перпендикулярном направлении луча к поверхности образца эмиссия ("излучение" образцом вторичных и отраженных) электронов слабая, что соответствует темным областям на изображении, если электронный луч едва касается поверхности, то появляется сильное “излучение”, и такие области кажутся светлыми.

Этот эффект особенно хорошо заметен в случае острых граней, когда возможно двустороннее "излучение". На Рис. 32 пять положений электронного зонда показывают, какая площадь облучается, соответственно, насколько будет интенсивный сигнал. Так, в положениях 1, 3 и 5 площадь, облучаемая электронным пучком одинакова, поэтому интенсивность сигнала будет одной и той же. При втором положении пучка интенсивность сигнала будет выше, и, наоборот, когда луч находится в четвертом положении (нормальному к поверхности), интенсивность будет самой низкой.

Рис. 32. Схема формирования топографического контраст в РЭМ. По оси Y отложена высота объекта на поверхности, по оси I - интенсивность эмиссии вторичных электронов. В направлении X двигается электронный зонд.

Эмиссия электронов зависит также от порядкового номера элемента.

Тяжелые элементы излучают больше электронов, чем легкие. Благодаря этому на электронном изображении получается контраст, зависящий от состава различных фаз. Кроме того, контраст возникает и как следствие ориентации плоскостей кристалла к первичному электронному лучу.

Отметим также, что на степень контраста может оказывать влияние изменение напряжения, подаваемого на ускоряющую систему растрового электронного микроскопа.

воздействовать на само взаимодействие первичного электронного пучка высокой энергии с этими материалами или на результат взаимодействия. В РЭМ эти магнитные эффекты могут быть использованы для создания контраста изображения областей с различным направлением намагниченности, известных как магнитные домены.

Разрешение растрового электронного микроскопа определяется диаметром того участка на поверхности объекта, из которого эмитируются вторичные электроны. Этот участок больше, чем диаметр пучка падающих электронов (Рис. 33). Вторичные электроны рождаются под действием электронного зонда, и область их возникновения ограничена областью соударений электронов пучка за счет малой длины пробега внутри образца.

Эти электроны несут информацию, связанную только с областью попадания электронного зонда на образец. На Рис. 33 эти электроны отмечены цифрой 1. Кроме этого, выходящие электроны образуются отраженными электронами (отмечены цифрой 2). Эти электроны несут информацию с областей, удаленных на 1 мкм от места падения первичных электронов на исследуемую поверхность. Электроны, образованные вследствие взаимодействий отраженных электронов с материалом образца, представляют собой шумовую составляющую по отношению к сигналу, созданному первой группой вторичных электронов.

Рис. 33. Образование вторичных (1) и отраженных (2) электронов под действием падающего пучка Соотношение количества "шумовых" электронов и электронов, созданных непосредственно первичным пучком составляет 1:4. Если в области контакта пучка с поверхностью происходит сильное изменение топографии, то изменение интенсивности сигнала от электронов, рожденных в этой области, будет много больше, нежели от вторичных электронов, созданных отраженными электронами, поскольку топографические особенности усредняются по большой площади, откуда электроны 2-ого типа эмитируются. Если на поверхности исследуемого образца нет резких краев, то контраст во вторичных электронах сильно ухудшается. Т.к. в данной работе РЭМ-изображения получались в режиме низкоэнергетичных вторичных электронов, именно такая ситуация и складывалась при изучении GeSi нанокластеров, имеющих малое отношение аспекта, что усложняло получение качественной РЭМ-картины, особенно для hut-кластеров с малым отношением аспекта.

Другое отрицательное влияние на разрешение РЭМ оказывает дополнительный контраст из-за различия в атомном номере. Если на поверхности исследуемой структуры имеется граница раздела фаз, то она уширяется вследствие различного диаметра области взаимодействия электронного зонда в каждом из материалов. Т.к. на границе перехода GeSiнанокластер/смачивающий слой происходит изменение концентрации Ge и Si, эффект размытия вследствие атомного контраста также присутствует, что приводит к ухудшению пространственного разрешения растрового электронного микроскопа.

2.1.3. Локальный элементный анализ методом сканирующей ожемикроскопии Метод электронной оже-спектроскопии применяется для определения элементного состава поверхностного слоя атомов твердого тела. По спектру энергий оже-электронов производится качественный элементный анализ участка поверхности, облучаемого первичными электронами, а по интенсивности спектральных линий - количественный.

Сканирующая оже-микроскопия применяется для двумерного тонкосфокусированного электронного пучка для возбуждения мишени.

Электростатическая пушка содержит 4 электроннооптических элемента:

трехэлектродный источник электронов с катодом прямого канала, конденсорную и объективную линзы и отклоняющие пластины. Блок управления сканирующей системой обеспечивает необходимые напряжения для отклонения сфокусированного электронного пучка на образце. В этот блок входят электронные схемы, необходимые для измерения и индикации тока мишени, тока вторичных электронов и оже-сигнала.

Электронная пушка работает так же, как и в обычном растровом электронном микроскопе. Две линзы дают уменьшенное изображение кроссовера, создаваемого трехэлектродным источником, а отклоняющие пластины разворачивают пучок в растр на поверхности образца. Увеличение системы регулируется изменением напряжения на отклоняющих пластинах.

Такая сканирующая система служит для оже-анализа в выбранной точке поверхности или для получения двумерных картин распределения заданного химического элемента по поверхности. При получении элементной карты (изображения в оже-электронах) интенсивность изображения делают прямопропорциональной высоте оже-пика интересующего элемента. За ожеток принимают расстояние от вершины пика до его основания в интегральном спектре оже-электронов. Интенсивность потока ожеэлектронов пропорциональна концентрации данного элемента в месте, освещаемом лучом первичных электронов. Используя детектор вторичных электронов, получают карту микрорельефа поверхности, что позволяет сопоставить особенности химического состава и морфологии поверхности образца. На Рис. 34 представлена схема получения карты распределения элементов на поверхности образца GeSi. На поверхности присутствуют области, состоящие из чистого германия (круглые), и области чистого кремния между ними. Карта распределения снята в KLL-линии германия (1141 эВ). Спектр кремния и германия также представлен на рисунке сверху. В каждой точке сканирования поверхности результирующая интенсивность прошедших через анализатор электронов высчитывается, как I = IGe(P) - IGe(B), т.е. в каждой точке анализатор кинетических энергий электронов измеряет ток электронов, проходящих через анализатор на двух энергиях EGe(P) и EGe(B) (индексы P и B обозначают "пик" и "фон" соответственно). В результате в области, где нет германия, разность интенсивностей на энергии пика и на энергии фона будет околонулевая, там же, где германий присутствует, разность будет иметь некоторое значение.

Следовательно, области, содержащие германий будут более светлыми. Если снимать карту распределения в KLL-линии кремния (92 эВ), то картина инвертируется.

Рис. 34. Принцип получения карты распределения элементов по поверхности. ISi(P) – интенсивность на энергии пика кремния ESi(P), ISi(B) – интенсивность на энергии фона ESi(B), вблизи пика кремния.

Для контроля за рельефом поверхности и выбора участков, интересных для анализа, используются обычные вторично-эмиссионные изображения или изображения в поглощенных электронах. При локальном анализе выбирается интересующий объект на поверхности. На этот объект позиционируется электронный зонд, после чего можно записывать ожеспектр уже в режиме электронной оже-спектроскопии. Получив данные об интенсивности линий оже-спектра, можно провести количественную информацию о концентрации элементов на поверхности выбранного объекта.

2.2. Аппаратура для измерения Эксперимент был выполнен на оборудовании производства немецкой компании Omicron Nanotechnology GmbH, - сверхвысоковакуумном комплексе Multiprobe S (Рис. 35).

Рис. 35. Общий вид сверхвысоковакуумной системы Omicron Multiprobe S.

Рис. 36. Общая схема сверхвысоковакуумного комплекса Omicron Multiprobe S. 1 - полусферический анализатор энергии электронов, 2 – предусилитель/фильтр питания линз анализатора, 3 – канальный вторично-электронный умножитель, 4 – колонна анализатора с системой электростатических линз, 5 – вакуумная камера, 6 – титановый сублимационный насос, 7 – ионизационная лампа вакуумметра, 8 - усилитель сигнала с ВЭУ, 9 – растровая электронная колонна, 10 – система механической юстировки растровой колонны (port aligner), 11 – источник ионов Ar+, 12 – детектор вторичных электронов РЭМ, 13 – клапан между загрузочной и аналитической камерами, 14 – камера загрузки, 15 – ионно-гетерный насос, 16 – турбомолекулярный насос, 17 – роторный форвакуумный насос, 18 – электромагнитный клапан между насосом и вакуумным объемом, 19 – образец, 20 – приемникпреобразователь сигнала с усилителя ВЭУ.

Комплекс имеет давление остаточных газов менее 10-10 торр, что позволяет анализировать поверхность твердотельных структур независимо от сигналов, вносимых оксидированием. Для вакуумирования системы применяется общий отжиг всей вакуумной системы до 150°C. Сверхвысокий вакуум в системе обеспечивается и поддерживается ионно-гетерным и титановым сублимационным насосами (Рис. 36, поз. 15, 6). В системе предусмотрена возможность быстрой смены загруженных образцов ("карусель" имеет шесть мест), что позволяет сравнивать полученные спектры с калибровочным образцом (в качестве материала калибровочного образца для методов РФЭС и ЭОС применялось серебро). Откачка системы осуществляется при помощи турбомолекулярного и роторно-пластинчатого форвакуумного насосов. Минимальное давление, получаемое с помощью этой пары насосов, составляет 10-7 торр.

Аналитическая часть системы включает полусферический анализатор энергий (Рис. 36, поз. 1), сильноточный источник электронов c энергией электронов 0.1 – 5 кэВ, током до 10 мкА и диаметром пучка 1 - 10 мм).

напряжением до 25 кэВ, током до 100 нА, диаметром зонда < 20 нм, с термоэмиссионным полевым катодом используется для возбуждения вторичных электронов при локальном анализе методом электронной ожеспектроскопии. Источник ионов Ar+ (Рис. 36, поз. 11) применяется для очистки поверхности и профилирования структур по глубине путем послойного ионного травления (энергия ионов 0.2 – 5 кэВ, ток ионов до 10 мкА, диаметр ионного пучка ~ 20 мм).

Полусферический анализатор энергий – ПСА (Рис. 37) - состоит из двух частей: первая - полусферический концентрический анализатор и вторая – колонна с системой электростатических линз (Рис. 36, поз. 4), позволяющей изменять площадь сбора электронов при помощи линз 1, 2 и 3 на Рис. 37. Для применяющегося ПСА диаметр области, откуда отбирались вторичные электроны, составляет 1 - 5 мм. Детекторами являются пять канальных вторично-электронных умножителей (ВЭУ). Сигнал с ВЭУ поступает на усилитель (Рис. 36, поз. 8), после чего преобразуется в оптический сигнал и оптоволоконному кабелю поступает в приемник-преобразователь (Рис. 36, поз. 20) и затем в ЦАП персонального компьютера.

Полусферический анализатор кинетической энергии электронов имеет два режима работы: 1) режим постоянного задерживающего потенциала, когда относительное разрешение по энергии остается постоянным, и 2) режим постоянной энергии пропускания, в котором сохраняется абсолютное разрешение во всех диапазонах шкалы энергий.

внешняя полусфера внутренняя полусфера Рис. 37. Полусферический анализатор энергий электронов.

Первый режим осуществляется приложением постоянного напряжение между линзами колонны (Рис. 37, поз. 4, 5), а развертка осуществляется изменением напряжения между полусферическими электродами, при этом более ярко выражаются оже-линии с энергией менее 150 эВ за счет снижения фона, отсекаемого задерживающим напряжением. Второй режим реализуется путем подачи постоянной разности потенциалов на полусферические линзы, при этом развертка осуществляется изменением напряжения между линзами 4 и 5.

программно коэффициенты (так называемые коэффициенты энергии пропускания). Эти коэффициенты определяют площадь сбора вторичных электронов, уровень шума и разрешение по энергии. С точки зрения методики эксперимента широкий диапазон значений коэффициентов, данный в инструкции к прибору, был сужен до значений, подходящих для определенных химических элементов (компонентов исследуемого образца) с целью увеличения сигнала от основных компонентов без потери разрешающей способности.

2.3. Выводы В данной главе была рассмотрена аппаратная часть метода электронной оже-спектроскопии, растровой электронной микроскопии и сканирующей оже-микроскопии. Обсуждение принципов работы оборудования важно для понимания направления развития методики СОМ в применимости к анализу твердотельных наноструктур на основе германия и кремния. Изучение принципа работы полусферического анализатора энергий дает понимание о разрешении по энергии метода ЭОС. Рассмотрение способа получения карты распределения элементов по поверхности структуры необходимо для дальнейшего определения локальности метода сканирующей ожемикроскопии.

Глава 3. Развитие методики сканирующей оже-микроскопии в применении к исследованию наноструктур GeSi Данная глава посвящена развитию методики сканирующей ожемикроскопии с точки зрения ее применения к изучению германиевокремниевых структур с самоорганизованными островками. Здесь приведены пространственное разрешение метода. Основной задачей данного этапа работы было определение параметров измерительного комплекса для выбора оптимальных режимов работы при изучении структур GeSi. Для этого пространственного разрешения метода СОМ и скорости ионного распыления и выбора оптимальных параметров ионного травления. Были построены количественному анализу.

3.1. Разрешение по энергии Разрешение полусферического анализатора по энергии определяется режимом работы с программно-заданными коэффициентами энергии пропускания, размером и формой входных и выходных щелей (Рис. 38). В приборе имеется 5 входных щелей с различной формой и размерами и прямоугольные выходные щели.

Рис. 38. Входные и выходные щели анализатора EA Максимальное полученное разрешение прибора составляет 22 мэВ для режима постоянной энергии пропускания и 0,07% для режима постоянного задерживающего потенциала. Эти значения были получены путем анализа оже- и фотоэлектронных линий различных элементов (Ag, Au, Pd) тестовых образцов.

Экспериментально были определены характеристики анализатора энергий электронов при различных заданных параметрах для выбора режима, соответствующего задаче локального анализа структур, содержащих Ge, Si, O и C. Оже-линии, лежащие в интервале низких кинетических энергий (30 – 150 эВ), всегда накладываются на интенсивный пик "истинных" вторичных электронов. LMM-линия кремния находится на энергии 92 эВ, поэтому выбор оптимальных параметров анализатора в данном случае несколько усложняется. Хотя режим постоянного задерживающего потенциала выглядит предпочтительнее с точки зрения получения более выраженного пика кремния (Рис. 39), но, с другой стороны, при этом значительно усложняется процедура количественного анализа ввиду того, что в данном режиме сохраняется относительное разрешение по энергии, но не абсолютное.

Рис. 39. LMM-линия кремния, записанная при различных режимах анализатора энергии. 1 – режим постоянной функции пропускания, 2 – режим постоянного задерживающего потенциала, 3 – фон, связанный с пиком истинных вторичных электронов.

Нами был выбран режим постоянного абсолютного разрешения, отвечающий линии номер 1 на Рис. 39, несмотря на то, что фоновый сигнал в той области, где проявляется сигнал LMM-линии кремния (92 эВ), достаточно сильный. Как оказалось, в этом режиме линия кремния достаточно просто раскладывается на суперпозицию функций Гаусса и Лоренца, при этом снимается сложность с количественным анализом. С LMM-линией германия, энергия которой составляет 1141 эВ (в интегральном спектре), в режиме постоянной функции пропускания не возникает никаких проблем. Линии кислорода (503 эВ) и углерода (272 эВ) также отчетливо видны и легко поддаются математической обработке при записи их в выбранном режиме.

3.2. Пространственное разрешение Так как латеральное разрешение в методах РЭМ/СОМ, помимо диаметра электронного зонда, определяется многими факторами, задача установления истинного значения пространственного разрешения прибора становится нетривиальной. В данной работе латеральное разрешение сканирующего оже-микроскопа определялось с использованием специально изготовленных тестовых структур. Дизайн тестовых образцов и их изготовление был выполнен в ИФМ РАН В.Ф. Дряхлушиным (н.с.), В.В.Роговым (вед. инж.-технолог, отд. 140) и А.Ю.Климовым (вед. инж.технолог, отд. 140).

Для создания тестовых структур наносились последовательно 2 слоя из разных материалов. Для металлов использовался метод магнетронного распыления, для полупроводниковых материалов молекулярно-лучевая или газофазная эпитаксия. Толщина слоев варьировалась от нескольких нанометров до десятков нанометров. После этого на поверхность образца наносились ряды полос из фоторезиста под малым углом ( 5°) друг к другу (Рис. 40).

определения латерального разрешения методов РЭС/СОМ "отрицательный" или "положительный", алгоритм нанесения и травления различался. Для получения "отрицательной" тестовой структуры сначала наносились полосы фоторезиста в двух направлениях под малым углом друг к другу, затем плазменным травлением снимался верхний слой до момента появления поверхности нижнего. Затем фоторезист удалялся химическим травителем, не воздействующим на материал слоев. После удаления резиста в материале первого слоя оставались ромбические отверстия, проникающие до второго слоя.

В случае "положительной" структуры, сначала наносился один ряд полос, затем плазменным травлением удалялся материал верхнего слоя между полосами. Фоторезист после этого удалялся. Затем наносился второй ряд полос под малым углом к ранее нанесенным, после чего опять производилось протравливание. После удаления резиста на поверхности присутствовали ромбические объекты из материала верхнего слоя на поверхности второго слоя.

измерениям глубины. Такой способ изготовления структур был выбран исходя из того, что латеральные размеры изменялись от размеров, сопоставимых с диаметром электронного зонда, с последующим плавным расширением до гораздо большей величины, т.е. микрометров. Всего было создано три вида тестовых структур: первый - структура Cr/Ni для исследования латерального разрешения методов РЭМ/СОМ на проводящих образцах, два других, Ge/Si и InGaP/GaAs – для исследования разрешения в случае полупроводников A4 и A3B5 соответственно. Материалы для тестовых структур выбирались, исходя из того, на каких реальных объектах дальнейшем.

Структура Cr/Ni была изготовлена для определения латерального разрешения прибора в режимах РЭМ/СОМ на проводящем образце, с целью исключения отрицательных эффектов зарядки. Проводящий тестовый объект представлял собой "отрицательную" структуру с толщиной верхнего слоя хрома 50 нм и толщиной второго слоя никеля 30 нм (Рис. 41).

Рис. 41. Схема тестового образца Cr/Ni (а), АСМизображение (б) (3030 мкм) и РЭМ-изображение (в) ( По данным АСМ-измерений радиус закругления вершины ромба тестового образца составляет 10 нм (Рис. 42). Такой радиус сопоставим с паспортным радиусом электронного зонда, что делает тестовые структуры с разрешения в методах РЭМ и СОМ.

Рис. 42. АСМ-изображения тестового образца.

Радиус закругления (r) определялся следующим образом. Выбиралось три АСМ-скана острой вершины ромба размером около 11 мкм. Затем находился радиус окружности, которая бы вписывалась в вершину на высоте, составляющей 10% от общей высоты (H) вблизи вершины ромба Рис. 43. При этом не учитывались краевые отклонения вблизи вершин. Полученные данные о радиусе вписанной окружности усреднялись.

Рис. 43. Схема определения радиуса закругления вершины ромба на тестовых структурах.

Pages: |

| 2 |

Главная >> Диссертации - все темы

[ СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА .pdf ]

Похожие работы:

«Василенко Светлана Владимировна СТАТУСНО-РОЛЕВАЯ ДЕТЕРМИНАЦИЯ КАЧЕСТВА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ СПОРТСМЕНАМИ ГРУППОВЫХ ВИДОВ СПОРТА Специальность 19.00.05 – Социальная психология ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата психологических наук Научный руководитель : доктор психологических наук, профессор В. Б. Никишина Курск – Содержание ВВЕДЕНИЕ.. ГЛАВA 1. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ СТАТУСНО-РОЛЕВОЙ ДЕТЕРМИНАЦИИ И...»

«МАРКУС АНТОН АЛЕКСАНДРОВИЧ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТРУБЧАТЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧАХ СПЕКАНИЯ Специальность 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор...»

«по специальности 12.00.03 Гражданское право; предпринимательское...»

«Мельникова Инна Ивановна Духовная культура Ставрополья XIX – XX вв. (на примере фольклорных традиций) Специальность 07.00.02 – Отечественная история Диссертация на соискание ученой степени кандидата исторических наук Научный руководитель – доктор исторических наук, профессор Асриянц Г. Г. Ставрополь - 2003 2 Содержание Введение..с. 3-39 Глава 1. Исторические предпосылки развития духовных традиций Ставропольской губернии..с. 40- 1.1...»

«МАКАРЕВИЧ Ольга Владимировна ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЛИГИОЗНЫХ ТЕКСТОВ В ТВОРЧЕСТВЕ Н.С. ЛЕСКОВА ВТОРОЙ ПОЛОВИНЫ 1870-х – 1890-х гг.: ВОПРОСЫ ПРОБЛЕМАТИКИ И ПОЭТИКИ Специальность 10.01.01 – Русская литература Диссертация на соискание ученой степени кандидата...»

«Акбаева Галина Михайловна ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РЯДА СЕГНЕТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЦТС 01.04.07 – физика конденсированного состояния Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель доктор физико-математических наук,...»

«Григорьев Максим Анатольевич УДК 62-83::621.313.3 СИНХРОННЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С НЕЗАВИСИМЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПО КАНАЛУ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ПРЕДЕЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ И ПЕРЕГРУЗОЧНЫМ СПОСОБНОСТЯМ Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук Научный консультант – доктор технических наук,...»

«Робенкова Татьяна Викторовна ПСИХОТИПОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ АДАПТАЦИИ СТУДЕНТОВ КОЛЛЕДЖА 03.00.13 – физиология Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Научный руководитель : доктор биологических наук, профессор В.Н. Васильев Томск - 2003 ОГЛАВЛЕНИЕ. ВВЕДЕНИЕ..7 ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.. 1.1.Современный подход к проблеме адаптации студентов. 1.1.1. Роль стресса в...»

«ТУБАЛЕЦ Анна Александровна ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ И ГОСУДАРСТВЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ МАЛЫХ ФОРМ ХОЗЯЙСТВОВАНИЯ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ (по материалам Краснодарского края) Специальность 08.00.05 – экономика и управление народным хозяйством (1.2. Экономика, организация и управление предприятиями, отраслями, комплексами: АПК и...»

«АШИЕВ АРКАДИЙ РУСЕКОВИЧ ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ ГОРОХА (PISUM SATIVUM L.) И ЕГО СЕЛЕКЦИОННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ ПРЕДУРАЛЬСКОЙ СТЕПИ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН 06.01.05 – селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук Научный руководитель : доктор сельскохозяйственных наук...»

«Дагаев Эдуард Хамзатович МЕТОДИКА ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ПОНИЖЕННЫЕ ЧАСТОТЫ И СДВОЕННЫЙ ПРИЕМ СИГНАЛОВ 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях) ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени...»

«Богачева Ольга Юрьевна Эмпатия как профессионально важное качество врача (на примере врачей терапевтов и врачей хирургов) Специальность 19.00.03 Психология труда, инженерная психология, эргономика по психологическим наук ам ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата психологических наук Научный...»

«Загуляев Денис Георгиевич ОРГАНИЗАЦИЯ ОПЛАТЫ ТРУДА РАБОЧИХ НА ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ ОБОРУДОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ Специальность 08.00.05. – Экономика и управление народным хозяйством (экономика, организация и управление предприятиями, отраслями и комплексами – промышленность; экономика труда) Диссертация на соискание учёной степени...»

«КИРИЛЛОВА Альбина Александровна ОСНОВЫ КРИМИНАЛИСТИЧЕСКОЙ МЕТОДИКИ СУДЕБНОГО РАЗБИРАТЕЛЬСТВА ПО УГОЛОВНЫМ ДЕЛАМ ОБ УБИЙСТВАХ (ч. 1 ст. 105 УК РФ) Специальность 12.00.12 – криминалистика; судебно-экспертная деятельность; оперативно-розыскная деятельность ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата юридических наук Научный руководитель : доктор юридических наук, профессор Ю.П. Гармаев Улан-Удэ – Оглавление Введение Глава 1....»

«ХОХЛОВА Анна Александровна ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ АБИОТИЧЕСКИХ И БИОТИЧЕСКОГО ФАКТОРОВ НА РЕПРОДУКТИВНУЮ СИСТЕМУ РАСТЕНИЙ ТОМАТА LYCOPERSICON ESCULENTUM MILL. Специальность: 06.01.05 – селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук Научный...»

«Плешачков Петр Олегович Методы управления транзакциями в XML-ориентированных СУБД 05.13.11 – математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель доктор технических наук Кузнецов Сергей Дмитриевич Москва 2006 1 Содержание Введение 1 Управление транзакциями и технологии XML 1.1...»

«АБРОСИМОВА Светлана Борисовна СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ СЕЛЕКЦИИ КАРТОФЕЛЯ НА УСТОЙЧИВОСТЬ К ЗОЛОТИСТОЙ ЦИСТООБРАЗУЮЩЕЙ НЕМАТОДЕ (GLOBODERA ROSTOCHIENSIS (WOLL.) Специальность: 06.01.05 – селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата...»

«Абрамов Александр Геннадьевич БИОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ МАТОЧНЫХ КОРНЕПЛОДОВ И СЕМЯН СТОЛОВОЙ СВЕКЛЫ В УСЛОВИЯХ ПРЕДКАМЬЯ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН 06.01.05 – селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук Научный руководитель доктор сельскохозяйственных наук профессор Таланов Иван Павлович Научный консультант доктор...»

«МАЗУРЕНКО АННА ВЛАДИМИРОВНА ФОРМИРОВАНИЕ КЛЮЧЕВЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ БРЕНДИНГА ТЕРРИТОРИИ Специальность 08.00.05 – экономика и управление народным хозяйством (маркетинг) диссертация на соискание ученой степени кандидата экономических наук Научный...»

«Тополянский Алексей Викторович МОСКОВСКИЕ НАУЧНЫЕ ТЕРАПЕВТИЧЕСКИЕ ШКОЛЫ (20-е – 40-е годы 20 века) И ИХ РОЛЬ В СТАНОВЛЕНИИ КАФЕДР ВНУТРЕННИХ БОЛЕЗНЕЙ В МСИ – МГМСУ 07.00.10...»

наверх

<< ГЛАВНАЯ | КОНТАКТЫ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА (Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)