ВНКСФ7: Анохина Ирина Владимировна: Исследование особенностей электронного строения пленок a-SiC методом ультрамягкой рентгеновской спектроскопии

Исследование особенностей электронного строения пленок a-SiC методом ультрамягкой рентгеновской спектроскопии

Анохина Ирина Владимировна
Воронежский государственный университет

Научный руководитель: Терехов Владимир Андреевич, доктор физ.-мат. наук

Интерес к исследованию аморфного карбида кремния стимулируется тем, что он является хорошим модельным материалом для изучения физики неупорядоченных систем и широкими возможностями его использования на практике. Прежде всего, необходимы фундаментальные исследования закономерностей формирования состава и свойств пленок аморфного карбида кремния и их электронного строения, сильно зависящих от условий получения.

Аморфная структура таких пленок устраняет требования к структурным параметрам подложки и позволяет использовать низкие температуры для их осаждения. Однако возникают проблемы при анализе их состава и взаимосвязи с условиями получения и соответствующими свойствами. В связи с этим необходимо привлечение самых различных методов, дающих информацию об их локальной структуре.

Целью работы является изучение влияния условий получения пленок а-SiC на энергетическое распределение валентных электронов в пленках, полученных химическим осаждением из газовой фазы метилсилана на кремниевых подложках при варьировании общего давления р (от 0,15 до 1,5 кПа) и различных отношениях реакционной поверхности к объёму (s/v) при постоянной температуре T_s=800C методом ультрамягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии (УМРС).

Анализ состава проводился по форме и положению основных энергетических особенностей рентгеновских Si L_2,3 спектров отражающих распределение Si 3s-состояний в валентной зоне и сильно зависящих от характера окружения атомов кремния. Спектры были получены на ультрамягком рентгеновском спектрометре-монохроматоре РСМ-500, при энергии возбуждающих электронов 3 кэВ, что соответствовало глубине анализа около 50 нм. Причём предполагалось, что в составе образцов могут быть определённые фазы, спектры которых использовались в качестве эталонных при моделировании. По этим спектрам проводилось математическое разложение экспериментального, с учётом их основных спектральных особенностей так, чтобы разница между экспериментальным и модельным спектрами была минимальной. Критерием оценки разложения служила разность площадей под модельной и экспериментальной кривой, а также точность совпадения особых точек в модельном и экспериментальном спектре. Для проведения анализа использовался специально разработанный комплекс программного обеспечения.

Было замечено, что основные особенности плотности электронных состояний аморфных пленок имеют такое же положение, как в кристалле, но вследствие разупорядочения структурной сетки наблюдается сглаживание структуры плотности состояний, зависящее от степени беспорядка. При анализе спектров образцов "а" и "d", рис.1, полученных химическим разложением силана при давлении рабочего газа р=0,15

рис 1.

и р=1,5 кПа и прочих равных условиях, замечено, что с увеличением давления степень аморфизации образцов существенно не меняется. Однако существенное влияние на степень упорядоченности структуры оказывает отношение реакционной поверхности к объёму s/v. В образце "с" на рис.1 эта величина существенно выше (20 см^-1 по сравнению с 3,3см^-1 для остальных образцов) и распределение плотности валентных состояний имеет менее размытую структуру. Это хорошо видно по низкоэнергетической части спектра слева от главного максимума, склон которого становится более крутым. Так же подтверждением этого служит уменьшение плотности локализованных состояний за потолком валентной зоны En (E > 99 эВ). Все это свидетельствует об относительном упорядочении атомной структуры в этой пленке. Примерно такое же упорядочение в плёнке "b" на рис.1, полученной при давлении 0,9 кПа и отношении реакционной поверхности к объёму s/v=3,3 см^-1 (что значительно меньше по сравнению с плёнкой "с"), достигается отжигом в атмосфере водорода, при температуре 1000° С и давлении 0,5 кПа.

Разложение исследуемых спектров проводилось по двум эталонным спектрам, один из которых является спектром пленки a-SiC, полученной ВЧ-распылением, поэтому сильно аморфизированной, а другой -спектром аморфной пленки, близкой к кристаллизации (на картине рентгеновской дифракции отмечается один слабый рефлекс). При рассмотрении результатов разложения получены количественные оценки вклада кристаллической и аморфной фаз в образцы, которые согласуются с описанными выше закономерностями.

Т.о., исследования энергетического спектра валентных электронов кремния в пленках a-SiC показали, что в зависимости от условий формирования и последующей обработки характер разупорядочения атомной структуры и, соответственно, распределение плотности электронных состояний может сильно меняться. Наиболее упорядоченная структура пленки получается при более высоком отношении реакционной поверхности образцов к объему газовой камеры в процессе получения или в случае последующего отжига пленок.