Атомно-силовая микроскопия в изучении шероховатости сверхгладкой кристаллической поверхности и разработке технологии сапфировых подложек с регулярным микрорельефом Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

АТОМНО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ В ИЗУЧЕНИИ ШЕРОХОВАТОСТИ СВЕРХГЛАДКОЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ И РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ САПФИРОВЫХ ПОДЛОЖЕК С РЕГУЛЯРНЫМ

МИКРОРЕЛЬЕФОМ

В.А. БАБАЕВ1, А.Э. МУСЛИМОВ2, А.В. БУТАШИН2

1 Социально-педагогический институт, г. Дербент;

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова, г. Москва.

Аннотация: Исследован структурный вклад в шероховатость сверхгладкой кристаллической поверхности. Предложен новый подход к получению сапфировых пластин с регулярным микрорельефом на поверхности, которые перспективны в эпитаксиальных технологиях, в частности, получении нитридных пленок для оптоэлектроники.

Ключевые слова: лейкосапфир, теллурид кадмия, монокристаллические пленки, атомно-силовая микроскопия, шероховатость.

Abstract: Thestructuralcontribution to theroughness of theultra-smoothcrystal surface. A newapproach to the preparationof sapphirewaferswith regularmicroreliefon the surface tha-tare promisingin epitaxialtechnology,in particular,gettingnitride filmsfor optoelectronics.

Keywords: leucosapphire, cadmium telluride, single-crystal films, atomic force microscopy, surface roughness.

Развитие технологии обработки кристаллов (^сапфир a-Al2O3, SiC, GaN, LiNbO3, SrTiO3 и др.) как подложечных материалов и элементов рентгеновской оптики привело к получению сверхгладкой поверхности, на которой атомно - силовая микроскопия (АСМ) выявляет дискретность и периодичность, присущие строению кристаллов. Отчетливым проявлением этой регулярности является образование наноразмерных террасно-ступенчатых структур (ТСН) на вицинальной кристаллической поверхности. Эти периодические структуры образованы атомно-гладкими террасами и ступенями нано- и субнанометровых размеров, соответственно. Нами предложена модель поверхности с ТСН, и установлены соотношения параметров ее шероховатости с высотой ступеней ТСН. Рассчитанные по этим соотношениям параметры шероховатости практически совпадают с экспериментальными данными, полученными атомно-силовой микроскопией с

2 2

участков площадью 1х1 мкм и10х10 мкм на поверхности сапфировых пластин с ТСН.

/■~\ U U U U

Одной из возможностей получения сверхгладкой кристаллической поверхности является хрупкое разрушение (скол). Так ТСН получили на поверхностях свежего скола кристалла CdTe по плоскости спайности (рис. 1). Здесь террасы образованы атомногладкими гранями ромбододекаэдра (110), а высота ступеней h~0,24 нм близка к меж-плоскостного расстояния d110. Поскольку ширина атомно-гладких террас приближается к 5 мкм (рис. 1), проведены измерения шероховатости поверхности пластины как на атомно-гладком участке (участок №1, рис. 1), так и на участке со ступенью (участок №2, рис. 1). На участке №2 Rq~0,07 нм, а на атомно-гладком участке №1 Rq~0,02 нм, что свидетельствует о существенном вкладе атомных ступеней в шероховатость. Однако значение шероховатости Rq~0,02 нм меньше точности ее измерения методом АСМ ±0,03 нм, поэтому метод АСМ представляется непригодным для измерения параметров шероховатости атомно-гладкой кристаллической поверхности.

Рис. 1. АСМ-изображения поверхности свежего скола кристалла СёТе по плоскости спайности (110) (а) и профиль сечения поверхности (б).

Проведено сравнение рельефа и параметров шероховатости по данным АСМ поверхностей сапфировых пластин с различным качеством полировки, и выявлен размерный эффект, заключающийся в том, что с уменьшением величины шероховатости поверхности распределение высоты рельефа меняется от стохастического к регулярному. В качестве количественного критерия эффекта предлагается соотношение: Яд<а*,где Яя— среднеквадратичная шероховатость поверхности, а* - соответствующий параметр ячейки кристалла.

В работе также исследовались процессы получения кристаллических подложек с регулярным микрорельефом. Известно, что в процессах гетероэпитаксии такие подложки способствуют значительному уменьшению плотности дислокаций в пленках, например ОаК на сапфире [1].

Регулярный микрорельеф на поверхности сапфировых пластин получен нами с использованием стандартного метода вакуумного напыления для нанесения металлического масочного покрытия толщиной ~0,35 мкм - стандартного метода фотолитографии для образования в нём окон в соответствии с формой и размерами фигур фотошаблона и метода реактивного плазменного травления сапфира ионами хлора в открытых окнах на глубину ~1,5 мкм. Это микрорельеф в виде круглых или треугольных ямок, а также ямок в виде лапок (Рис. 2) с характерным сечением 1^7 мк и глубиной 1+2 мкм.

Рисунок 2. АСМ-изображение регулярного микрорельефа на поверхности сапфировой пластины,

полученного методом фотолитографии

Кроме этого, для получения сапфировых пластин с регулярным микрорельефом на поверхности, начата разработка методики, не использующей технику фотолитографии. Так, с применением техники вакуумного напыления металла через трафареты с диаметром отверстий в диапазоне 0.2+40 мкм и последующего отжига, проведены экспериментальные процессы формирования на сверхгладкой поверхности сапфировых пластин регулярного микрорельефа (рис. 3). Для его выявления на поверхности и контроля параметров использована оптическая и атомно-силовая микроскопия, дифракция быстрых электронов. Предварительные эксперименты по дифракции быстрых электронов от сплошной пленки, полученной с использованием этой техники, указывают на монокристалличность полученной пленки.

Рисунок 3. АСМ-изображение (а) и профиль сечения (б) полученного регулярного микрорельефа на поверхности сапфировой пластины после отжига при 1400°С

Заключение

Таким образом, предложены новые подходы к получению сапфировых пластин с регулярным микрорельефом на поверхности; такие пластины представляются перспективным подложечным материалом в эпитаксиальных технологиях, в частности, получения нитридных пленок для оптоэлектроники.

Литература:

1. У. Н. Кіт, Н. ЯиЬ, У. К. N0^ й. аі. // 1 Арр1. РЬу8. 2010, V. 107, 063501.