Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 6 Модификация диоксида кремния электронным пучком й Л.А. Бакалейников, М.В. Заморянская, Е.В. Колесникова, В.И. Соколов, Е.Ю. Флегонтова Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: zam@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 13 октября 2003 г.) Получена оценка температуры перегрева микрообъема диоксида кремния под воздействием пучка электронов высокой удельной мощности. Расчеты показали, что при токе электронного пучка 100 nA максимальная температура перегрева микрообъема диоксида кремния может достигать 1200C. Проведено исследование изменения катодолюминесцентных свойств аморфного диоксида кремния с различным содержанием гидроксильных групп при различной удельной мощности электронного пучка. Показано, что под воздействием электронного пучка высокой удельной мощности возникают дополнительные структурные дефекты вплоть до образования кластеров кремния.

Работа была выполнена в рамках проекта Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 03-02-16621).

1. Введение атом кремния [4,5]. Эти полосы излучения возбуждаются в спектре катодолюминесценции, поскольку энергия Система SiO2/Si является основой элементной базы электронного пучка (1-30 keV) во много раз превышает современной микроэлектроники и вряд ли будет замене- ширину запрещенной зоны диоксида кремния.

на в ближайшем будущем.

Катодолюминесцентные свойства системы SiO2/Si В настоящее время для эффективного использования сильно изменяются в присутствии кластеров кремния.

систем SiO2/Si в оптоэлектронике разрабатываются раз- Кремний представляет собой непрямой полупроводличные способы их получения. Излучательные свойства ник со слабой люминесценцией. Его излучение наэтой системы зависят от структурных особенностей блюдается в инфракрасной области при 1.1 eV, однаи геометрических параметров ее составляющих. Такие ко для микрокристаллов кремния с линейными разсистемы могут быть получены различными способами, мерами порядка нанометров наблюдаются полосы люнапример напылением нестехиометричных пленок ди- минесценции от 1.4 до 1.8 eV [6]. Это связано с оксида кремния, окислением пористого кремния и др. тем, что ширина запрещенной зоны кремния завиОдним из способов создания системы SiO2/Si является сит от геометрических размеров кристаллов креммодификация диоксида кремния высокоэнергетичным ния [6]. Присутствие кластеров кремния в диоксиде пучком электронов большой удельной мощности [1]. кремния всегда сопровождается сильным изменением В этом случае источником для формирования кластеров люминесцентных свойств и появлением интенсивнокремния является облучаемый электронами диоксид го излучения в зеленой области спектра с максимукремния. Кластеры кремния образуются в результате мом 2.2-2.3eV [7].

облучения и локального разогрева диоксида кремния При катодолюминесцентных исследованиях можно электронным пучком, что приводит к изменению като- менять диаметр электронного пучка и ток электронов долюминесцентных свойств микрообъема.

в широком диапазоне. Это позволяет менять удельную Цель настоящей работы Ч исследование изменения мощность электронного пучка на несколько порядков.

катодолюминесцентных свойств аморфного диоксида При высокой удельной мощности электронного пучка кремния под действием высокоэнергетичного электрон- микрообъем образца нагревается. Благодаря нагреву в ного пучка разной удельной мощности. облучаемом микрообъеме могут образоваться дополнительные дефекты структуры.

Катодолюминесцентные спектры беспримесного аморфного диоксида кремния содержат полосы, Исследование температурных полей, наводимых элексоответствующие дефектам структуры, таким как немо- тронным пучком, в различных образцах имеет большое стиковый атом кислорода и двухкоординированный атом значение для интерпретации экспериментальных данкремния. Немостиковый атом кислорода дает полосу ных, получаемых при катодолюминесцентных исследовалюминесценции с максимумом излучения 1.9 eV, соот- ниях. Поскольку эксперименты проводились при максиветствующую полосам поглощения 4.75 и 2.0 eV [2,3]. мально сфокусированном электронном пучке (диаметр Другой собственный дефект в диоксиде кремния пучка не превышал 0.1 m), область генерации тепла дает полосы люминесценции 4.3 и 2.65 eV, которые мала, и экспериментальное измерение температуры певозбуждаются при 5.0 eV. Наиболее вероятной моделью регрева технически очень сложно. В связи с этим была этого дефекта является атом кремния, имеющий только проведена теоретическая оценка температуры перегрева два соседних атома кислорода Ч двухкоординированный диоксида кремния под действием электронного пучка.

990 Л.А. Бакалейников, М.В. Заморянская, Е.В. Колесникова, В.И. Соколов, Е.Ю. Флегонтова Рис. 1. Пространственное стационарное распределение плотности потерянной энергии в диоксиде кремния, рассчитанное по J методу Монте-Карло. a Ч энергия пучка 20, b Ч 15, c Ч 10, d Ч 5 keV. Значения плотности потерянной энергии даны в.

m3 s K 2. Теоретическая оценка чия размеров источников в поперечном и продольном направлениях. Реальная форма области, естественно, температурных полей не совпадает с данной аппроксимацией, но позволяет в диоксиде кремния получить оценку для максимальной температуры перегрева [9].

Для оценки влияния нагрева образца при облучении Была рассмотрена задача о равномерной генерации электронным пучком было рассчитано распределение тепла в объеме полуэллипсоида с полуосями a, b. Темтемпературы в диоксиде кремния в соответствии с пературное поле описывается уравнением методикой, предложенной в работах [8,9]. Расчет распределения плотности потерянной энергии на один элек T = -q/k, (1) трон производился по методу Монте-Карло в модели где Чоператор Лапласа, q Ч плотности потерянной однократного рассеяния. Следует отметить, что в каэнергии (рис. 1), k Ч коэффициент теплопроводности.

честве дифференциального сечения упругого рассеяния использовалось сечение Мотта [10], а неупругое взаимоq0, 2 z 2 1, + действие рассчитывалось на основе оптических данных b2 aq = (2) в соответствии с алгоритмом, предложенным в [11].1 2 z 0, + > 1.

При расчете прослеживались траектории только перb2 aвичных электронов, что приводило к некоторой поПолуоси a, b выбирались равными удвоенным грешности в распределении потерянной энергии, но не полуширинам z, гауссовского распределения влияло на ее полную величину. В ходе моделирования 2 2 A exp(-z / - 2/ ), аппроксимирующего распредеучитывался углеродный слой на поверхности образца.

ение плотности потерянной энергии.

Была использована методика, предложенная в рабоБыли получены оценки для максимальной темпете [9] для получения пространственного распределения ратуры перегрева при генерации тепла в вытянутом плотности потерянной энергии q(, z ) (где z Чглубина, эллипсоиде вращения (a > b) а Чрадиус) при токе электронного пучка 100 nA и энергии пучка E0 = 5, 10, 15, 20 keV (рис. 1). q0 ab2 a + a2 - bTmax = ln (3) Если аппроксимировать форму области генерации 4k a2 - b2 a - a2 - bтепла полуэллипсоидом, то это позволит учесть разлии в сплюснутом эллипсоиде вращения (a < b) Данные о дифференциальных сечениях рассеяния электрона могут q0 ab2 a быть найдены в электронном архиве www.ioffe.ru/ES, разработанном Tmax = arcctg. (4) авторами настоящей статьи.

2k b2 - a2 b2 - aФизика твердого тела, 2004, том 46, вып. Модификация диоксида кремния электронным пучком полос катодолюминесценции в зависимости от времени облучения образцов электронным пучком при токах электронов 100 nA.

3. Методика эксперимента Исследование воздействия сфокусированного пучка электронов на диоксид кремния проводилось на электронно-зондовом микроанализаторе ДCamebaxУ, оснащенном двумя оптическими спектрометрами [14].

Для более полного изучения катодолюминесцентных свойств образца исследования проводились при различных режимах работы прибора.

1) Стационарный режим, при котором пучок непрерывно облучает образец при регистрации спектра излуРис. 2. Изотермы температурного поля для источников чения.

полуэллиптической формы. На изотермах указаны значения 2) Режим временного разрешения. В этом режиме температуры перегрева относительно температуры образца снимается два спектра в каждой точке образца: первый при взаимодействии с пучком электронов с энергией 5 eV и спектр измеряется при облучении образца пучком электоком пучка 100 nA.

тронов, а второй Ч с заданной временной задержкой (от 0.5 s до целых секунд) после того, как пучок был отклонен.

3) Режим исследования динамики затухания излучаНа рис. 2 показано пространственное распределение тельных полос. Этот режим позволяет измерять зависитемпературы перегрева для сфокусированного пучка при мость интенсивности излучательной полосы от времени энергии электронов 5 keV и токе пучка 100 nA. Из после прекращения возбуждения.

рисунка видно, что в месте падения электронного пучка на образец температура поднимается на 2100C отно- 4) Получение зависимости интенсивности полос люсительно температуры образца. Была рассчитана темпе- минесценции от времени взаимодействия пучка электроратура перегрева с учетом конечного диаметра пучка нов с образцом.

(0.1 m), она составила 1200C для области порядка Спектры в стационарном режиме и в режиме вре40 nm в диаметре. Действительно, при увеличении тока менного анализа снимались при энергии электро электронного пучка до 100 nA в оптическом микроско- нов 15 keV и токе пучка 100 nA. При тех же значениях пе наблюдаются необратимые изменения поверхности энергии и тока регистрировалась зависимость интенсивобразца диоксида кремния. В области взаимодействия ности полос люминесценции от времени взаимодействия электронов с образцом образуется кратер. Из опуб- пучка электронов с образцом. В режиме временного ликованных данных известно, что для формирования разрешения спектры снимались при энергии электронов кремниевых ДостровковУ достаточно разогреть окисел 15 keV и токе пучка 15 nA с задержкой 200 s.

кремния в вакууме до температуры 400-600C [12].

Были исследованы спектры катодолюминесценции Таким образом, можно сказать, что при токе электродвух марок стекол SiO2 с различным содержанием нов 100 nA в окисле кремния должны формироваться гидроксильной группы OH: КУ с содержанием ОН дефекты, связанные с дефицитом кислорода, вплоть до 2400Ц3000 ppm, КИ с содержанием OH 1Ц2 ppm.

возникновения кремниевых кластеров.

Содержание остальных примесей в исследованных Поскольку температура перегрева в первом прибли- стеклах Ч менее 3 ppm. Перед исследованием образцы жении линейно зависит от тока электронов зонда (фор- стекол были отполированы и на них для улучшения мула Кастена [13]), можно предположить, что при токах проводимости образцов был нанесен слой углерода порядка 10-15 nA существенных изменений в структуре толщиной порядка 200.

окисла кремния не произойдет, так как температура перегрева будет не выше 200C.

4. Основные результаты и их В связи с этим в настоящей работе исследованы в первую очередь спектры катодолюминесценции диокси- обсуждение да кремния при токах электронного пучка 15 nA для характеризации полос излучения мало измененного диок- Характеристики излучательных полос спектра катодосида кремния. Затем исследовалось изменение спектров люминесценции были получены для стекла марки КУ.

катодолюминесценции при токах 100 nA. Кроме того, На рис. 3 представлены характерные спектры катодоисследовались зависимости интенсивностей основных люминесценции для аморфного диоксида кремния, поФизика твердого тела, 2004, том 46, вып. 992 Л.А. Бакалейников, М.В. Заморянская, Е.В. Колесникова, В.И. Соколов, Е.Ю. Флегонтова Эти выводы были подтверждены при измерении динамики времени затухания наблюдаемых в спектре полос.

Из рис. 4 видно, что динамика затухания полос носит экспоненциальный характер I = I0 exp(-t/ ), где I0 Ч интенсивность полосы во время облучения образца пучком электронов; t Ч время, прошедшее с момента отклонения электронного пучка от образца; Ч время затухания люминесцентной полосы.

Таким образом, для аморфного диоксида кремния были получены следующие спектральные характеристики основных полос катодолюминесценции. Для полосы 1.9 eV время затухания составило 28 1 s и полуширина 0.13 0.04 eV. Полоса 2.2 eV имеет время затухания 59 3 s и полуширину 0.40 0.05 eV. Полоса 2.65 eV относительно долгоживущая, ее время затухания составило 4.9 0.2 ms, а полуширина Ч 0.30 0.05 eV.

Поскольку полуширины и времена затухания для разных полос отличны друг от друга, они соответствуют разным дефектам.

Увеличение удельной мощности возбуждения приводит к заметному изменению спектров катодолюминесценции. В настоящей работе увеличение мощности возбуждения достигалось за счет увеличения на порядок Рис. 3. Спектры катодолюминесценции стекла марки КУ, тока электронного пучка. На рис. 5 приведены спектры снятые в режиме временного разрешения. a Ч спектр, снятый двух марок стекол, полученные при токе электронов при облучении образца электронным пучком; b Ч спектр, снятый с задержкой 200 s после прекращения возбуждения образца.

ученные при токе электронного пучка 15 nA и энергии 15 keV в режиме временного разрешения с временем задержки 200 s.

В спектрах катодолюминесценции образца наблюдаются полосы, характерные для таких дефектов как немостиковый атом кислорода (полоса (1.90 0.05) eV) и двухкоординированный атом кремния (полоса (2.65 0.05) eV). Кроме того, в спектре неблюдается ДплечоУ в зеленом диапазоне спектра.

Для получения конкретных спектральных характеристик наблюдаемых полос спектр катодолюминесценции был разложен на три полосы с использованием программы ORIDGIN. При этом предполагалось, что наблюдаемые полосы имеют гауссовскую форму. При таком разложении Дзеленое плечоУ может быть интерпретировано как полоса с максимумом (2.20 0.05) eV и полушириной 0.4 eV. В спектре, полученном с временной за держкой 200 s, явно наблюдается полоса с максимумом 2.65 eV и плечо в зеленой области спектра. Разложение наблюдаемого спектра показало, что плечо также может соответствовать полосе с максимумом 2.2 eV. Полосы с максимумом 1.9 eV в этом спектре не наблюдается.

Это говорит о том, что время затухания этой полосы существенно меньше, чем время задержки. Наиболее интенсивная полоса с максимумом излучения 2.65 eV Рис. 4. Динамика затухания для некоторых полос спектра имеет самое большое время затухания, поэтому ее катодолюминесценции стекла марки КУ: полоса с максимумом интенсивность в ДзадержанномУ спектре максимальна. 1.9 (a), 2.3 (b) и 2.65 eV(c).

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Модификация диоксида кремния электронным пучком нием аморфного кремния, так и с появлением кластеров кремния [15].

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам