Получение плёнок соединений со структурой силленита.
Термин эпитаксия происходит от греческих слов эпи и такси, имеющих значения над и упорядочение. Технологический процесс эпитаксии заключается в выращивании на монокристаллической подложке слоев атомов, упорядоченных в монокристаллическую структуру, полностью повторяющую ориентацию подложки.
Существует три вида эпитаксии газовая, жидкостная и молекулярно-лучевая. Термин эпитаксия применяют к процессам выращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Материал подложки в этом процессе выполняет роль затравочного кристалла. Если материалы получаемого слоя и подложки идентичны, например, кремний выращивают на кремнии, то процесс называют автоэпитаксиальным или гомоэпитаксиальным.
Если же материалы слоя и подложки различаются хотя их кристаллическая структура должна быть сходной для обеспечения роста монокристаллического слоя, то процесс называют гетероэпитаксиальным. Перспективность использования силленитов для изготовления разнообразных тонкоплёночных устройств, применяемых для интегральных оптических схем, отмечена Ballman A.A. и Tien P.K. 44. Для получения плёнок силленитов использовались разнообразные методы - Выращивание из газовой фазы 45 ВЧ - распыление 46 Из жидкой фазы 47 Методы термического испарения 48. При осаждении Bi12GeO20 с использованием паров Bi и GeCl4 был использован сложный окислитель N2O H2O . Осадки Bi12GeO20 на Bi12GeO20, сапфире, шпинели, кварце, MgO были поликристаллическими.
Соединения, которые могут быть выращены, имеют ряд составов Bi12 yGexO20 в которых х может изменятся в пределах от Ѕ до 1. 45 При выращивании Bi12GeO20 из газовой фазы при температуре реакционной зоны 860 С наблюдалась реакция между осадком, подложкой и частями кварцевой трубы 45 В работах 48,49 для получения плёнок использовались различные виды термического испарения исходного соединения с последующей конденсацией на подогреваемых подложках из стекла, скола 001 NaCl, слюды.
В качестве исходных материалов брали стехиометрические составы Bi12ЭO20, где Э - Si, Ge. Не зависимо от метода испарения, полученные конденсаты являлись силленитами, на что указывал расчёт рентгенограмм. При получении плёнок методом ВЧ - распыления 46 большое значение придавалось температуре подложек.
Наиболее совершенная структура получена при температуре 500 - 550 С на кварце. При более низких температурах получаемые слои были аморфны. В работе 46 предпринимались попытки получить соединение со структурой силленита методом взрывного испарения. Тонкие конденсаты, полученные стекле, сколе слюды, пластинках из нержавеющей стали, изучались на электронном микроскопе ЭММ - 2. При напылении плёнок на холодные подложки tп. 20 С происходило образование аморфных слоёв. При конденсации плёнок на подложки, температура которых превышала 400 С, образовывался поликристаллический слой германосилленита.
Для получения оптически высококачественных монокристаллических плёнок ряда силленитов был применён метод гетероэпитаксиального наращивания из жидкой фазы 47, причём подложкой в данном случае служило одно из соединений со структурой силленита, которое обладало большим показателем преломления и более высокой температурой плавления.
Например, плёнки 12Bi2O3Ga2O3 на Bi12GeO20. Объясняя механизм роста плёнки, Ю.М. Смирнов и А.Д. Шуклов 50 рассматривают его как последовательный процесс, состоящий из ряда стадий - Образование кластеров в расплаве - Диффузия кластеров к поверхности роста - Осаждение кластера на поверхности образование зародыша - Поверхностная диффузия - Рост плёнки. Образование кластера, как отмечают 51, определяется максимальной величиной энергетического барьера и будет лимитирующей стадией в процессе осаждения плёнки. Основной вклад на этой стадии существования расплава принадлежит температуре. Температура расплава, а точнее, его переохлаждение, будет оказывать определяющее влияние и на вторую стадию процесса - диффузию кластеров к поверхности роста.
Однако, влияние переохлаждения на первую и вторую стадии образования плёнки различно увеличение переохлаждения способствует образованию кластеров в расплаве и одновременно, уменьшает диффузию кластеров к фронту кристаллизации. Поэтому при получении эпитаксиальных плёнок важно установить температурные условия и кинетику осаждения плёнки. Основной выбора оптимальных технологических условий получения эпитаксиальных плёнок являются фазовые равновесия в соответствующих системах.
Для описание роста плёнок авторы 50 предлагают уравнение, описывающее кривую Таммана, где А - постоянная величина ТЕ - равновесная температура фазового перехода W1- энергетический барьер стадии образования, равный Wd - энергетический барьер стадии диффузии W3 - энергетический барьер стадии осаждения кластеров, равный k1 - константа скорости стадии образования k2 - константа скорости стадии осаждения кластеров.
Так как химические и физические свойства силленитов зависят от структурообразующих ионов Si, Ge, Fe, Ga и т. д. и от содержания этих ионов, то частичная или полная замена их, даёт возможность безошибочно изменять показатель преломления плёнки в достаточно широком интервале. 2.5