CC BY
59
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
УДК 539.23
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЁВ КРЕМНИЯ НА САПФИРЕ В РЕЖИМЕ Z-МОДУЛЯЦИИ АСМ
© 2009 г. П.А. Шиляев, Д.А. Павлов, Е.В. Коротков, Н.О. Кривулин
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского shilyaev@phys.unn.ru
Поступила в редакцию 16.03.2009
При помощи атомно-силового микроскопа, работающего в режиме Z-модуляции, исследованы упругие свойства субмикронных слоев (30-1000 нм) кремния на сапфире, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Показано, что различие в упругих свойствах кремния и сапфира зависит от толщины осажденного слоя кремния и от температуры роста. Кроме того, контраст сигнала Z-модуляции обнаружен на поверхности образцов, содержащих островки кремния, образующиеся на ранних стадиях эпитаксиального роста.
Ключевые слова: кремний на сапфире, атомно-силовая микроскопия, микротвердость.
Введение
В связи со стремительным развитием нанотехнологии в области проектирования микро- и наноэлектромеханических систем (МЭМС, НЭМС) [1, 2] крайне важным является изучение механических свойств материалов на наномет-ровых масштабах. Отношение площади поверхности к объему детали, размеры которой составляют несколько нанометров, много больше, чем у обычных объектов, поэтому микроэлек-тромеханические устройства очень чувствительны к механическим свойствам тончайшего слоя материала на поверхности. В этом случае роль поверхностных явлений становится значительной, повышая роль силы трения над силой инерции. Зачастую наблюдается сильное отличие коэффициентов трения материалов, измеренных на атомарном и макроскопическом уровнях [3]. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) позволяет изучать не только геометрию, но и многие физические характеристики поверхности, в том числе и микротвердость на масштабах вплоть до атомарных. Стандартный метод атомно-силовой микроскопии (АСМ) -режим Z-модуляции (Z-Modulation mode) позволяет оценивать локальную упругость материала [2].
В данной работе в режиме Z-модуляции исследуются субмикронные (толщиной от 30 до
1000 нм) слои кремния на сапфире (КНС), выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).
1. Методика эксперимента
1.1. Получение образцов и методика исследования. Эпитаксиальные слои кремния выращивались с помощью метода сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии, описанного в [4].
Методом АСМ исследовалась топография полученных слоев КНС, точно измерялась толщина слоя кремния, а в режиме Z-модуляции исследовался контраст, обусловленный различием упругих свойств поверхности.
Контраст сигнала Z-модуляции исследовался на границе кремний/сапфир. Для этого химическим травлением удалялась часть слоя кремния. Это позволяло формировать резкую ступеньку кремний/сапфир. Использование для этих целей маски во время напыления оказалось неэффективным: из-за эффекта подпыления в процессе роста получалась сильно размытая ступенька, размеры которой превышали размеры области сканирования зондового микроскопа.
По результатам сканирования области ступеньки кремний - сапфир (рис. 1а) точно определялась толщина выращенного слоя. Гистограмма высот данной области (рис. 1б) содер-
70 пт
б)
Рис. 1. Топограмма области ступеньки кремний - сап- Рис. 2. Карта распределения сигнала 2-модуляции (а) и
фир (а) и гистограмма распределения высот (б). Слой гистограмма распределения амплитуд сигнала (б) для
кремния был выращен при температуре 600 °С в тече- слоя кремния толщиной 1000 нм, выращенного при
ние 1 минуты температуре 600°С
жит два пика: слева - пик кремния и справа -пик сапфира. Расстояние между максимумами пиков соответствует толщине слоя кремния. При этом ширина каждого пика отражает распределение высот по поверхности кремния или сапфира и пропорциональна шероховатости данного участка поверхности.
1.2. Режим Z-модуляции. В режиме Z-модуляции на Z-пьезопривод кроме постоянного напряжения, обеспечивающего перемещение зонда по вертикали и отслеживание топографии, подается переменная составляющая частотой около 5 кГц, значительно меньшей собственной резонансной частоты кантилевера, так что зонд совершает колебания по вертикали с амплитудой 1-4 нм (зонд как бы пробует поверхность под ним на податливость) [5]. При этом на фотодиоде, регистрирующем изгиб кан-тилевера, возникает переменная составляющая разностного сигнала между верхней и нижней половинами детектора. Эта переменная составляющая выделяется, детектируется и подается в канал Z-Modulation, формируя изображение карты микротвердости поверхности.
Если поверхность образца мягкая, зонд проникает в образец без затруднений. В этом случае движения Z-пьезопривода и кантилевера будут иметь примерно одинаковую амплитуду, так что разностный сигнал на фотодиоде окажется мал. При сканировании поверхности твердого образца зонд будет испытывать сопротивление при внедрении в образец и кантилевер при этом будет сильно выгибаться, что приведет к увеличению разностного сигнала на фотодиоде. Глубина проникновения зонда в образец зависит от упругих свойств материала образца, для кремния, по нашим оценкам, не превышает 4 нм. Таким образом, можно исследовать ультратон-кие слои кремния, не учитывая влияния подложки.
Карты распределения сигналов, отображающих контраст упругих свойств (режим Z-модуляции), регистрировались на границе между кремнием и сапфиром одновременно с регистрацией топографии поверхности (рис. 2а).
2. Результаты эксперимента и их обсуждение
Результаты экспериментов показали, что расстояние между пиками от кремния и сапфи-
Т олщина слоя кремния, нм
Рис. 3. Зависимость расстояния между пиками от кремния и сапфира на гистограмме распределения сигнала Z-модуляции от толщины кремниевого слоя для разных температур роста
3 Ш'Гм
1*1 II ¿4ГИ
Рис. 4. Карта распределения сигнала Z-модуляции (а) и гистограмма распределения амплитуд сигнала (б) для слоя кремния толщиной 40 нм, выращенного при температуре 675 °С. Для аппроксимации использовалось распределение Гаусса
ра на гистограмме распределения сигнала 2-модуляции зависит от толщины кремниевого слоя и от температуры осаждения (рис. 3). В интервале толщин слоев 100-400 нм для температур роста 700-800 °С контраст сигнала 2-модуляции практически отсутствует. Для температур роста 500-600 °С в том же интервале толщин наблюдается нелинейная зависимость от толщины.
Сигнал 2-модуляции зависит от твердости исследуемого материала. Чем тверже материал, тем больше величина сигнала 2-модуляции от
его поверхности. Сапфир значительно тверже кремния, поэтому между сапфиром и толстыми слоями кремния наблюдается ярко выраженный контраст в режиме 2-модуляции. Уменьшение разности сигналов 2-модуляции между кремнием и сапфиром с уменьшением толщины слоя кремния от 1000 до 350 нм связано с изменением твердости слоя кремния. Чем толще слой кремния, тем он ближе по свойствам, в том числе и механическим, к объемному кремнию. В интервале толщин 50-350 нм наблюдается сильный разброс разности сигнала 2-модуляции
Т олщина слоя кремния, нм
Рис. 5. Зависимость ширины на полувысоте распределения сигнала Z-модуляции по поверхности кремния от толщины осажденного слоя
для образцов, выращенных при различных условиях. Объяснить данный факт можно влиянием различных дефектов, таких как дислокации и микродвойники. Дефекты кристаллической решетки образуются в кремниевом слое и в процессе роста в результате рассогласования решеток кремния и сапфира, а также в процессе остывания выращенной структуры из-за различия коэффициентов теплового расширения кремния и сапфира. Согласно литературным данным [6], дислокации не равномерно распределены по толщине слоя кремния, а сосредоточены в основном в слое 200 нм вблизи подложки. При большой плотности дислокации взаимодействуют между собой, может образоваться дислокационная сетка [7, 8], которая может приводить к упрочнению материала. Такой эффект, например, наблюдается при холодной деформации металлов [7]. Можно предположить, что и в эпитаксиальном слое кремния происходят подобные процессы.
В следующей части работы исследовалась неоднородность распределения сигнала 2-модуляции по поверхности слоя кремния. Неоднородность сигнала численно характеризовалась шириной пика на полувысоте (рис. 4б) гистограммы распределения сигнала 2-модуляции. При этом гистограммы аппроксимировались распределением Гаусса. Ширина пика может дать информацию об однородности механических свойств поверхности слоя кремния: чем меньше ширина пика, тем более однородны механические свойства кремниевого слоя. По результатам измерений построен график зависимости ширины пика на полувысоте
сигнала 2-модуляции от толщины слоя кремния (рис. 5).
При толщине слоя кремния больше 350 нм наблюдается резкое увеличение неоднородности сигнала 2-модуляции. Это связано с увеличением шероховатости толстых слоев кремния на сапфире. Если рельеф сильно развит, зонд может двигаться не перпендикулярно поверхности, а под углом. Из-за этого зонд «соскальзывает» с поверхности, в результате чего сигнал 2-модуляции в таких местах отличается от сигнала тех участков, где зонд движется перпендикулярно поверхности. Причем сигнал 2-модуляции в данном случае зависит от угла между зондом и поверхностью. Пик на гистограммме уширяется. Поверхность толстых (больше 400 нм) слоев кремния сильно развита, её шероховатость может достигать 40 нм. Поэтому увеличение сигнала на отрезке 400-1000 нм скорее всего связано с большой шероховатостью растущего слоя.
На поверхности тонких слоев кремния на сапфире рельеф развит очень слабо, и шероховатость кремниевых слоев толщиной до 300 нм не превышает 8 нм. При таком рельефе зонд всегда расположен практически перпендикулярно к поверхности и форма поверхности практически не влияет на сигнал 2-модуляции. Неоднородность сигнала упругих свойств на слоях кремния с толщиной 50-300 нм скорее всего связана с дефектами в слое кремния. Такие дефекты, как дислокации, при взаимодействии друг с другом изменяют локальные напряжения на поверхности, однако средняя напряженность слоя постоянна [7]. Чем более напряженный слой кремния, тем меньше глубина
проникновения АСМ-зонда в кремний, следовательно, тем больше величина сигнала Z-модуляции от его поверхности. Область взаимодействия зонда и образца определяется диаметром зонда и составляет ~ 10 нм. С увеличением числа дефектов на поверхности увеличивается число областей с различной напряженностью кремния, на каждом из которых сигнал Z-модуляции разный. В результате на гистограмме наблюдается уширение пика. Если бы слой кремния был бездефектным, то сигнал Z-модуляции был бы одинаков в любой точке поверхности и гистограмма представляла бы собой дельта-функцию. Таким образом, увеличение количества дефектов должно приводить к неоднородному распределению упругих свойств. Как было показано выше, дефекты распределены по толщине слоя кремния неоднородно и их наибольшая плотность находится в слое 200 нм от границы кремний/сапфир - там же, где наблюдается максимальная неоднородность сигнала Z-модуляции.
1.5 ткт
Интересные результаты получены на образцах, где наблюдается эффект самоорганизован-ного роста кремниевых островков. Эффект самоорганизации проявляется в образовании массива однородных по размеру островков кремния [4]. На рис. 6а представлена типичная топо-грамма одного из таких образцов.
На картах распределения сигнала Z-модуляции (рис. 6б) четко виден контраст сигнала между островками и межостровковым пространством, что свидетельствует о различии их упругих свойств. Однако сигнал Z-модуляции может быть связан не только с влиянием механических свойств, но может быть обусловлен рельефом поверхности.
На рис. 7 показаны профили распределения высоты и сигнала Z-модуляции для одной и той же области сканирования. Очевидно, что сигнал Z-модуляции не повторяет рельефа поверхности и определяющим фактором возникновения контраста между зернами и межзеренными облас-
0.7 пА
а)
0 ткт
0.7 пА
0 ткт
1.5 ткт
0 ткт
1.5 ткт
Рис. 6. Топограмма (а), карта распределения сигнала 2-модуляции (б) для слоя кремния, выращенного при температуре 600° в течение 1 минуты
Расстояние, мкм
Рис. 7. Профиль распределения высот (сплошная кривая) и сигнала 2-модуляции (штриховая кривая) для слоя кремния на сапфире
тями в режиме Z-модуляции является именно различие упругих свойств областей. Больший сигнал (область между островками) соответствует более твердой или упругой области.
Заключение
В работе исследованы механические свойства эпитаксиальных слоев кремния на сапфире. В режиме Z-модуляции АСМ, который локально выявляет различие в упругих свойствах поверхности, обнаружен контраст между областями кремния и сапфира. Между сапфиром и толстыми слоями кремния наблюдается сильное различие в твердости материалов. С уменьшением толщины слоя кремния от 1000 до 350 нм различие в твердости кремния и сапфира уменьшается. Исследование самоорганизован-ных во время роста островков кремния на сапфире показало, что сам островок «мягче», нежели межостровковая область, что может быть объяснено перераспределением дефектов.
Работа была выполнена при поддержке гранта Рособразования 2.1.1/3626 и гранта CRDF Post-Doctoral Fellowship Supplemental Award Y4-Р-01-07.
Список литературы
1. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. М.: Техносфера, 2004. 328 с.
2. Springer Handbook of Nanotechnology / Ed. Bharat Bhushan. Springer, 2004. 1222 p.
3. Ruan J., Bhushan B. Atomic-scale friction measurements using friction force microscopy: part I - general principles and new measurement techniques // ASME J. Tribol. 1994. V. 116. Р. 378-388.
4. Шиляев П.А., Павлов Д.А., Коротков Е.В., Треушников М.В. Молекулярно-лучевое осаждение сверхтонких слоёв кремния на сапфире // Материалы электронной техники. 2008. № 2. С. 62-66.
5. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондо-вой микроскопии. Техносфера, 2005. 144 с.
6. Ham W.E., Abrahams M.S. et al. // J. Electro-chem. Soc. 1977. V. 124, N 4. P. 634.
7. Миркин Л.И. Физические основы прочности и пластичности (Введение в теорию дислокаций). М.: Изд-во Московского университета, 1968. 538 с.
8. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат, 1972. 599 с.
INVESTIGATION OF HETEROEPITAXIAL SILICON-ON-SAPPHIRE LAYERS BY Z-MODULATION ATOMIC FORCE MICROSCOPY
P. A. Shilyaev, D.A. Pavlov, E. V. Korotkov, N.O. Krivulin
Molecular beam epitaxy (MBE) silicon-on-sapphire submicron layers (30-1000 nm) have been investigated using Z-modulation atomic force microscopy (AFM). The difference in elastic properties of the silicon layer and the sapphire substrate has been shown to depend on the thickness of the deposited silicon layer and the growth temperature. The Z-modulation contrast has also been detected on the Si clusters formed at earlier epitaxial growth stages.
Keywords: silicon, SOS - silicon on sapphire, AFM - atomic force microscopy, elastic properties, microhardness.
