WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 10 Безэталонный РФЭС способ определения химического состава многофазных веществ и его применение в исследовании нанопленок плазменного оксида InP © В.М. Микушкин, С.Е. Сысоев, Ю.С. Гордеев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 26 февраля 2004 г.) Предложена модификация метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) для анализа фазового химического состава вещества. В отличие от известного РФЭС метода К. Зигбана предлагаемый способ является безэталонным и позволяет с более высокой надежностью и точностью определять химический состав сложных многофазных соединений. Одновременно с химическим составом предложенный способ дает значения энергий связи остовных уровней атомов в химических фазах исследуемого вещества, которые ранее определялись в отдельных экспериментах на эталонных образцах. Основная идея предлагаемого подхода заключается в проведении самосогласованного разложения фотоэлектронных линий двух или более элементов. Энергии связи в этом разложении играют роль свободных параметров. Условие совпадения содержания одноименных химических фаз, определяемых из разложения спектров двух и более элементов, приводит к единственности решения задачи. Предложенный способ использован в исследовании химического состава нанопленок плазменного оксида InP, содержащего несколько химических фаз. Показано, что для улучшения качества пленки и интерфейса необходимо обогащение окисляемой поверхности фосфором.

Работа выполнена при финансовой поддержке МНТП России (программа „Физика твердотельных наноструктур“), Президиума РАН (программа „Низкоразмерные квантовые структуры“).

1. Введение многофазных материалов, таких как купратные ВТСП, твердые растворы, оксиды соединений. Определение хиМетод рентгеновской фотоэлектронной спектроско- мического состава становится особенно сложным в пропии (РФЭС) для химического анализа вещества [1–3], цессе разработки технологий получения таких материапредложенный К. Зигбаном в 60-е годы, стал в после- лов, когда образуются дополнительные нежелательные дующие десятилетия основным методом анализа хими- химические фазы, увеличивающие число неразрешенческого состояния элементов твердого тела, а необхо- ных линий. В таких неблагоприятных случаях решение димые для его реализации фотоэлектронные спектро- ищется путем минимизации функционала ошибок межметры имеются практически во всех крупных научных ду экспериментальным фотоэлектронным спектром и и технологических центрах. Чувствительность к слою суммарной огибающей набора модельных элементарных материала толщиной всего в 1-3 nm делает его неза- линий. Свободными параметрами являются искомые инменимым в разработке нанотехнологий. Метод включает тенсивности линий. Чтобы решение было единственным, в себя облучение исследуемого образца рентгеновским необходимо заранее установить возможное число линий монохроматическим излучением и измерение спектров (число химических состояний), а также соответствуюфотоэлектронов. Он основан на эффекте химического щие значения энергий связи Eb и погрешностей их опресдвига фотоэлектронных линий, т. е. на изменении энер- деления Eb. Энергии связи находятся из экспериментов гии связи остовного электрона при изменении химиче- с эталонными материалами. В большинстве прикладского состояния атома. Определение химического соста- ных работ используются опубликованные литературные ва материала сводится к решению задачи разделения данные. Точность и даже достоверность определения экспериментального спектра фотоэлектронов на элемен- энергий связи Eb часто оказываются недостаточными тарные составляющие, соответствующие определенным из-за сложности или невозможности синтезировать этахимическим состояниям атомов. Искомый химический лоны в чистом виде и предохранить их поверхность состав определяется по вкладам этих составляющих с от деградации и загрязнений. Большой вклад в погрешучетом стехиометрии химических фаз. ность Eb вносят неконтролируемые систематические Задача разделения спектра решается легко, надежно ошибки, разные в экспериментах с разными эталонами.

и точно, если элементарные составляющие спектра Поэтому задача по разделению неразрешенных линий, представляют собой отдельные (разрешенные) линии, как правило, решается ненадежно или неточно. Дорот. е., если их ширины меньше химических сдвигов. В про- гостоящая монохроматизация рентгеновского излучения тивном случае эти составляющие сливаются в одну ли- стандартных источников не всегда помогает решить нию экспериментального спектра и задача значительно проблему разделения экспериментальной линии спектра, усложняется. Но именно этот случай встречается все поскольку обычно повышает разрешение спектрометра чаще в связи с появлением новых многоэлементных и всего в 2 раза (с 0.8-0.7 до 0.5-0.3eV), но уменьшает Безэталонный РФЭС способ определения химического состава многофазных веществ... потоки рентгеновских квантов более чем на порядок, адекватной диагностики химического состава собственуменьшая тем самым чувствительность метода. Даль- ных оксидов InP является важной задачей проблемы нейшее повышение разрешения с использованием вы- формирования структур CO-InP / InP. В последние годы сокомонохроматизованного синхротронного излучения, задача определения фазового состава CO-InP оставакак правило, бессмысленно из-за конечного вклада есте- лась актуальной. Продолжались исследования способов ственной ширины фотоэлектронной линии. химической очистки окисленной поверхности InP [17], термического [18,19], анодного [20,21] и плазменноВ настоящей работе предлагается модификация изго [22–24] окисления InP с целью получения МДП вестного метода, которая лишена указанных недостатструктур для высокочастотных полевых транзисторов ков, т. е. позволяет надежно и точно определять химии длинноволновых лазеров. Многослойные In-tin oxide ческий фазовый состав многофазных веществ. Предла(ITO) / InP структуры используются в солнечных элегаемый метод не требует экспериментов с эталонными ментах [25]. Новым направлением является получение образцами, но позволяет одновременно с химическим совершенных МДП структур путем предварительной составом определять энергии связи Eb в химических пассивации поверхности InP плазменным окислением.

соединениях, составляющих исследуемое вещество, со Диэлектрический слой получают нанесением на пассизначительно более высокой точностью, чем в отдельных вированную поверхность тонкой металлической пленки экспериментах с эталонами. Существенные признаки (Al, Bi, Sb) и ее плазменным окислением [26–28]. Хинового способа подробно описаны в [4]. Способ был мическим осаждением на пассивированную поверхность опробован в решении относительно простой задачи молекул SiH4 и последующим плазменным окислением определения роли атомарного кислорода в процессе получают SiO2 / InP структуры [24]. Во всех упомянутых формирования CuO пленок [5].

случаях интерфейс оказывается многофазным.

2. Проблема формирования 3. Объекты исследования нанопленок собственного оксида на поверхности InP Исследование проводилось на образцах, аналогичных полученным в работе [6]. В этой работе были достигНедостатки известного метода и особенности преднуты рекордно низкие плотность состояний интерфейлагаемого подхода рассмотрены в настоящей работе са CO-InP/ InP (Nss 4 · 1010 eV-1 cm2) и гистерезис на примере проблемы формирования термодинамически C-V характеристик ( U 0.2eV). Метод РФЭС исстабильного и диэлектрически прочного собственного пользован в этой работе для качественного контроля хиплазменного оксида InP с низкой плотностью состояний мического состава CO-InP, который осуществлялся по интерфейса, образуемого этим оксидом с поверхноположению центра тяжести экспериментальной линии и стью InP [6]. Как известно, преимущества полупропо сдвигам этого центра при изменении технологических водников группы A3B5 по сравнению с кремнием в параметров. Слой собственного оксида формировался на значительной мере нивелируются низкими диэлектричеповерхности InP плазменным окислением. Его толщискими свойствами их собственных оксидов (CO), т. е.

на, определенная методом послойного ионного травлеотсутствием хорошего и технологически совместимого ния, составляла 3-5 nm, что согласовалось с данными диэлектрика, каким в кремниевой электронике является эллипсометрических измерений. Ранее выполненное и оксид кремния SiO2. Так, интерфейс InP с многофазным настоящее исследования проводились на электронном слоем CO обычно характеризуется довольно высокой спектрометре LHS-11, Leybold. Образцы облучались плотностью состояний, низкой термодинамической и рентгеновскими квантами AlK (h = 1486.6eV). Измевременной стабильностью параметров. Тем не менее, рялись спектры фотоэлектронов, испускаемых из внутехнологическая совместимость собственных оксидов с тренних (остовных) оболочек индия и фосфора: In3d5/полупроводниковым материалом заставила исследовате- и P2p. На рис. 1 и 2 приведены примеры этих спеклей в восьмидесятые-девяностые годы активно искать тров за вычетом квазинепрерывного фона. В спектрах пути повышения качества оксидных диэлектрических CO-InP наблюдается общая колоколообразная линия слоев и их интерфейсов с использованием разнообраз- фотоэлектронов, которую необходимо разделить на эленых диагностических средств, включая РФЭС [6–16].

ментарные составляющие различных химических фаз.

Среди различных методов окисления: термическое, хи- Задача осложнена наличием нескольких оксидных фаз с мическое, электрохимическое, анодное и плазменное, — очень близкими энергиями связи остовных электронов, два последних дают неплохие результаты [6,7]. Главным которые и формируют одну колоколообразную линию фактором, определяющим качество интерфейса, оказал- фотоэлектронов. Известно, что возможно образование ся химический состав оксидного слоя: чем ниже доля следующих термодинамически стабильных оксидов InP:

оксида In2O3 и выше доля оксидов InPO4 и In(PO3)3, тем In(PO3)3 (1), InPO4 (2), InPO3 (3), In2O3 (4), P2O5 (7).

ниже плотность поверхностных состояний интерфейса В табл. 1 и 2 для этих соединений приведены энергии и выше его стабильность. Таким образом, разработка связи Eb электрона 3d5/2 оболочки индия и 2p обоФизика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1772 В.М. Микушкин, С.Е. Сысоев, Ю.С. Гордеев лочки фосфора соответственно и данные для исходного неокисленного InP. В качестве энергий связи индия и материала InP (5), металлического индия In (6) и фосфора в указанных выше соединениях использовались элементарного фосфора P (8). Далее приводится ре- значения, полученные усреднением опубликованных лишение задачи разделения экспериментальной линии на тературных данных (табл. 1, 2). Заметим, что опредеэлементарные составляющие известным и предлагаемым ленные таким образом значения характеризуются больспособами. Сравнение этих решений позволяет лучше шими погрешностями, достигающими Eb ±0.7eV, оценить возможности последнего.

несмотря на то, что обычные для каждой из работ погрешности, по оценкам авторов, как правило, не превышают ±0.1 eV. Содержание химических фаз опре4. Определение химического состава делялось по амплитудам элементарных составляющих, CO-InP традиционным методом которые устанавливались, исходя из минимума разности РФЭС площадей суммарной огибающей и экспериментальной кривой. На рис. 1, a и 2, a приведены результаты такого В решаемой задаче известно количество возможных разложения, выполненного в соответствии с прототихимических фаз. Форма элементарной линии индия пом. Полученный вариант, однако, невозможно признать и фосфора определялась по фотоэлектронным линиям приемлемым, поскольку содержание одноименных фаз, Рис. 1. Спектры фотоэлектронов P2p фосфора без непрерыв- Рис. 2. Спектры фотоэлектронов In3d5/2 индия без непрерывной части (фона). Сплошная кривая — экспериментальный ной части (фона). Сплошная кривая — экспериментальный спектр. Штриховые кривые — элементарные составляющие, спектр. Штриховые кривые — элементарные составляющие, соответствующие определенным химическим фазам, и суммар- соответствующие определенным химическим фазам, и суммарный модельный спектр. Части a и b соответствуют разложению ный модельный спектр. Части a и b соответствуют разложению спектра известным и предлагаемым способом соответственно. спектра известным и предлагаемым способом соответственно.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Безэталонный РФЭС способ определения химического состава многофазных веществ... Таблица 1. Энергии связи остовного электрона P2p фосфора 5. Определение химического состава в различных химических соединениях и энергий связи остовных электронов CO-InP новым 7 1 2 3 8 Ссылка безэталонным РФЭС способом P2O5 In(PO3)3 InPO4 InPO3 P InP 5.1. О п р е д е л е н и е х и м и ч е с к о г о с о с т а в а.

135.5 133.7 134.1 - 130.2 128.8 [7] В методе-прототипе задача разложения фотоэлектронно- 134.6 134.2 - - 128.8 [8] го спектра на элементарные составляющие имеет един135.4 - 134.2 - - 129.2 [9] ственное решение, но это решение, как было показано - - 134.3 - - 129.2 [10] выше, может быть совершенно невероятным из-за ис- - - - - 128.6 [11] 135.8 - 133.8 133.3 - 128.8 [12] пользования неточных или неверных значений энергий 136.0 - 134.0 133.5 - 129.0 [13] связи Eb остовных электронов в химических фазах.

- - 136.0 133.5 - 129.0 [14] Основная идея предлагаемого подхода заключается в - - - - - - [15] проведении самосогласованного анализа фотоэлектрон135.8 - 133.1 - - - [16] ных линий двух или более элементов, входящих в 135.7 134.2 134.1 133.4 130.2 128.9 среднее состав исследуемого материала [4]. При этом получение ±0.3 ±2.0 ±0.7 ±0.2 ±0.самосогласованного решения оказывается невозможным 135.8 134.3 133.9 132.9 - 128.8 настоящая без дополнительных свободных параметров. В качестве ±0.1 ±0.1 ±0.1 ±0.1 ±0.1 работа таких параметров выбраны энергии связии Eb, поскольку надежность и точность их определения в экспериментах с эталонными веществами нередко бывают совершенно Таблица 2. Энергии связи остовного электрона In3d5/2 индия недостаточными. Условие совпадения содержания разв различных химических соединениях личных химических фаз из разложения спектров двух и более элементов приводит к единственности решения 1 2 3 4 5 Ссылка задачи. Важным результатом такого подхода является In(PO3)3 InPO4 InPO3 In2O3 InP In возможность обходиться без эталонных образцов и определять в одном эксперименте не только химический со445.4 445.7 - 444.7 444.4 444.0 [7] став материала, но и энергии свзяи остовных электронов 445.7 445.7 - 444.7 443.9 - [8] элементов, входящих в эти фазы. При этом, как будет - - - - - - [9] - 445.6 - 444.8 444.4 444.0 [10] показано далее, точность и достоверность определения - - - 444.4 444.1 443.6 [11] этих энергий значительно повышаются по сравнению с - 446.4 446.1 445.4 444.6 - [12] литературными данными.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.