CC BY
16
УДК 548.73:548.25:621.373.826
ЭПИТАКСИАЛЬНОЕ ЛАЗЕРО-СТИМУЛИРОВАННОЕ ОСАЖДЕНИЕ ОКСИДА ХРОМА (III) НА ПОВЕРХНОСТИ
САПФИРА
В. В. Воронов, С. И. Долгаев, Г. А. Шафеев
Методами рентгеновской дифрактометрии исследована кристаллическая структура пленок оксида хрома(Ш), осаждаемых на поверхности сапфира, при облучении поверхности раздела сапфир/водный раствор СгОз излучением лазера на парах меди. Обнаружен эпитаксиалъный рост пленки СггОз-
Излучение лазера на парах меди позволяет осуществлять эффективное травление сапфира путем облучения границы раздела сапфир-поглощающая жидкость сфок\ иро-ванным лазерным пучком [1]. При использовании в качестве поглощающей жидкости водного раствора хромового ангидрида СгОз травлению сапфира предшествует образование тонкой нерастворимой в воде пленки Сг20з. Целью настоящей работы являлось исследование кристаллической структуры пленки Сг20з, осажденной на прозрачную подложку, представляющее интерес для выяснения механизма лазерного травления оптически прозрачных материалов.
В экспериментах по лазеро-стимулированному осаждению пленки Сг20з применялось излучение лазера на парах меди (длина волны А = 510 нм, частота следования импульсов / = 8 кГц, длительность импульса т = 15 не). В режиме генерации с неустойчивым резонатором средняя мощность лазерного излучения составляла 500 мВт. В качестве подложки для осаждения применялись плоскопараллельные пластинь из монокристаллического сапфира ориентации [00.1] толщиной 500 мкм и стекла толщиной 1 мм. Лазерное излучение фокусировалось на границе раздела подложка/поглощающая жидкость сквозь прозрачную подложку с помощью объектива с фокусным расстоянием Р = 28 м.м и числовой апертурой АГА = 0,3 в пятно диаметром 20 мкм. Плотность энергии в фокусе лазерного пучка составляла около 20 Дж/см2. В экспериментах в
качестве поглощающей жидкости, из которой на поверхность сапфира производилось осаждение пленки, использовался насыщенный водный раствор хромового ангидрида Сг03 (1,5 г/мл) с коэффициентом поглощения на лазерной длине волны около 500 см~1. Оценки нагрева приповерхностного слоя поглощающей жидкости дают увеличение температуры на границе раздела двух сред на 1200° за время лазерного импульса. Кювета с подложкой помещалась на координатном Х-У столике, проводимом в движение линейными шаговыми двигателями, управляемыми от компьютера. Скорость сканирования лазерного луча по поверхности раздела подложка/водный раствор СгОз могла изменяться от 30 мкм/с до 3 мм/с.
Для рентгено-структурного анализа осаждалась пленка Сг20з путем пошагового сканирования лазерным лучом поверхностей сапфира и стекла на поле 10 х 10.мл«2. Осажденная пленка имеет хорошую адгезию к подложке. Сфокусированный лазерный пучок вызывает одновременное травление подложки и осаждение на ней пленки Сг20з. При больших скоростях сканирования от 300 мкм/с до 3 мм/с происходило преимущественно осаждение пленки. Толщина осажденной пленки при скорости сканирования 300 мкм/с составляла 2-3 мкм (скорость роста пленки около 0,03 мкм/импульс) и З'меныпалась с увеличением скорости сканирования.
Исследование кристаллической структуры осажденной пленки проводилось на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2 с использованием излучения СиКа\ монохромати-зация излучения осуществлялась фокусирующим графитовым монохроматором, установленным на дифрагированном пучке. При съемке дифрактограмм падающий рентгеновский пучок коллимировался вертикальной и горизонтальной щелями так, чтобы анализируемая область не превышала размеры обработанного участка при всех углах дифракции.
На рис. 1 представлены рентгеновские дифрактограммы пленок Сг20з, осажденных на стекле (а) и монокристаллическом сапфире (б), полученные в режиме в 26 сканирования. Идентификация структуры пленки Сг20з проводилась с использованием картотеки ЛСРБЭ, карточка номер 6-504. На дифрактограмме (а) на фоне рассеяния от стеклянной подложки видны слабые пики от пленки Сг203. Обнаруженные пики соответствуют наиболее сильным рефлексам оксида хрома при малых углах дифракции. При больших углах дифракции пики не наблюдались, что объясняется уменьшением эффективной толщины осажденной пленки с ростом угла падения рентгеновского излучения. Анализ индексов отражений показывает, что пленка Сг20з, осажденная на стекле, является поликристаллической и не имеет направленной ориентации по нормали
к поверхности подложки.
I, с-1
а
б
о
О
О
500
0
500
О чо
20 30 40 50 60 70 80 90 100
26, град
20 30 40 50 60 70 80 90 100
20, град
Рис. 1. Рентгеновская дифрактограмма структур Сг203/стекло (а) и
Сг203/монокристалл А1203 (б). Ориентация сапфировой подложки (00.1).
На рентгеновской дифрактограмме пленки Сг20з, осажденной на сапфире, (рис. 16) наблюдаются две пары пиков - сильные пики отражения (00.3) и (00.6) от подложки и слабые отражения с такими же индексами от Сг20з. Присутствие на дифрактограмме исключительно отражений типа (00.п) указывает на то, что покрытие является ква-зимонокристаллическим или аксиально-текстурным. Сапфир и осид хрома(Ш) имеют одинаковую кристаллическую структуру (пространственная группа симметрии НЗс) и близкие значения параметров элементарной ячейки (а = 0,475кл«, с = 1,299 нм у А120з и а = 0,4954 мл«, с = 1,3584мж у Сг20з). В плоскости срастания кристаллов относительная разность параметров решетки Да/а составляет 4,3%. Это позволяет предположить возможность эпитаксиального роста кристаллов оксида хрома(Ш) на поверхности сапфира, хотя низкая температура подложки делает факт образования пленки с квазимонокристаллической структурой достаточно неожиданным.
Для определения реальной структуры пленки Сг20$ на сапфире были сняты кривые качания отражения (00.6) для пленки и подложки при одинаковых условиях. На рис. 2 приведены кривые качания для пленки Сг20з и сапфировой подложки. Ширина кривой качания на полувысоте для монокристалла сапфира имеет величину 0,12° и определяется условиями съемки (горизонтальной и вертикальной расходимостью рентгеновского пучка). При таких условиях съемки ширина кривой качания для пленки в 1,7° характеризует качество пленки, сопоставимое с качеством эпитаксиальных пленок ВТСГ1 [2]. Нормали к отражающим плоскостям типа (00.п) распределены преимущественно в >том угловом интервале.
Пики (00.6) и (00.12), представленные на рис. 1 (б), не являются самыми сильными
Д0, град
Рис. 2. Кривые качания пленки Сг203 (1) и сапфировой подложки (2) (рефлексы (00.в)). Интенсивности отражений пленки и подложки приведены к одному углу в.
пиками Сг203. Полное отсутствие гораздо более сильных рефлексов указывает на совер шенную аксиальную текстуру пленки Сг203. Исследование асимметричных рефлексов типа (20.10) и (30.12) показывает, что текстура в плоскости подложки также близка к совершенной, что позволяет охарактеризовать пленку как квазимонокристаллическую.
Отсутствие ориентации в покрытии, полученном на стекле, показывает, что влия ние температурных градиентов не является определяющим при росте пленки Сг2Оц. В процессе лазерного осаждения, несмотря на короткие времена процесса и низкую температуру сапфировой подложки, проявляется ее ориентирующее влияние.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Д о л г а е в С. И., Лялин А. А., Симакин А. В., III а ф е е в Г. А. Квантовая электроника, 23, N 1, 67 (1996).
[2] В a g u 1 у а А. V., Kazakov I. Р., N е g о d а е v M. A., et al. Material Science and Engineering, B21, N 1, 5 (1993).
Институт общей физики РАН Поступила в редакцию 21 марта 1996 г.
