Диссертация (Оптические свойства тонких пленок Ge2Sb2Te5 и влияние на них легирующих примесей), страница 10

2.17). Комплексное в общем случае уравнение (2.4) называетсяосновным уравнением эллипсометрии [102].64rprs tg  ei(2.4)где tg rp   p  s- относительный фазовый сдвиг между р- и s- компонентамиrs- отношение амплитудных коэффициентов Френеля,света.Рисунок 2.17. Поляризация света до и после взаимодействий споверхностью образца.Эллипсометрические углы  и  - результаты измерения при данномуглепаденияиданнойдлиневолнысветаλ.Измеренныеэллипсометрические углы  и  функционально связаны с оптическимипараметрами исследуемой поверхностной структурой, таким как показателипреломления n и поглощения k подложки и пленки, толщина пленки d и т.д. (ns , ks , n f ...n fn , k f ...k fn , d1...dn , , )  tg  ei1(2.5)1Для количественной характеристики исследуемой системы или дляопределения ее неизвестных оптических параметров требуется знаниемоделиэтойсистемы.Вбольшинствеслучаевзадачарешаетсяоптимизационными методами, предусматривающими поиск неизвестныхпараметров по условию наилучшего совпадения экспериментальных имодельных результатов.652.3.3.2.

Методика измерения и расчета по данным эллипсометрииОпределение оптических констант (коэффициент экстинкции k ипоказательпреломленияn)проводилосьметодомспектральнойэллипсометрии. Измерение проводилось на тонких пленках GST225,осажденных на подложку из монокристаллического Si (100) на прибореЭЛЛИПС-1881А (рис. 2.18) в диапазоне 380 – 1050 нм при фиксированномугле падения света 75о.Рисунок 2.18.

Принципиальная схема эллипсометра ЭЛЛИПС-1881А: Р- поляризатор; S - отражающая поверхность; С - компенсатор(фазосдвигающийэлемент); А – анализатор. Основные характеристикиприбора: диапазон длины волн от 300 по 1100 нм; диаметр светового луча –6 мм; погрешность угломерных устройств – 0.02 град.; угол падения луча наобразец с 45 по 90 град.Спектральныекоэффициентазависимостиэкстинкцииkкоэффициентабылипреломлениярассчитаныпоnиизмереннымэллипсометрическим параметрам Ψ и Δ методом численного моделирования.Дисперсия для n и k аппроксимировалась упрощенными формулами Форохи Блумера [103]:k (  ) A( E  Eg ) 2E 2  BE  Cn( )  n() B0 E  C0E 2  BE  C(2.6)(2.7)66где E - энергия фотона, Eg - оптическая ширина запрещенной зоны, A,B, C - параметры аппроксимации связанные с электронной структуройматериала, B0, C0 – параметры, зависящие от A, B, C и Eg;n() -показательпреломления при высоких значениях энергии фотонов; при ω стремящемся кбесконечности, данный показатель незначительно отличается от единицывследствие наличия поглощения в материале [103].Точность сходимости результатов при моделировании определялась поформуле:1q 2N  M2  mod   expi iexp ii 1 N2   imod   iexp   expi 2(2.8)где N - число измеренных эллипсометрических пар Ψ и ∆, M - общееколичество параметров аппроксимации;   ,   - стандартное отклонениеэкспериментальных данных, соответствующих Ψ и ∆.

При расчетахиспользовался комплексный показатель преломления n  n  ik .Программное обеспечение Spectr обеспечивает возможность расчетапараметров d, n, k в модели образца по измеренным данным (tan(Ψ), cos(Δ)или Ψ, Δ). Порядок симуляции измерительных результатов см. в приложении2.2.3.4. Методика расчета оптического контрастаВажным оптическим параметром материала ФП, критичным дляработы оптических дисков памяти, является его оптический контраст,который определялся как разность комплексного показателя преломлениякристаллической и аморфной фазы [103]:n (крис.)  n(аморф.)  n  ik(2.9)Для оценки влияния легирующих добавок на оптический контрастпленокGe2Sb2Te5,рассчитывалсямодулькомплексногопоказателя67преломления по ф.

2.10, который затем нормировался в соответствии с ф.2.11 относительно значений для нелегированного GST225R  (n )2  (n)2  (k )2R(%) (2.10)RGST 225 Bi / In / Sn  RGST 225100%RGST 225(2.11)Выводы к главе 21.Впервые для расчета оптических характеристик тонких пленокGST адаптирована программа PUMA, позволяющая с высокой точностьюаппроксимироватьоптическийспектрпропусканияирассчитатькоэффициент поглощения.2.Впервые приложена методика расчета оптического контраста длятонких пленок GST225, легированных Bi, Sn, In по данным эллисометрии.68Глава 3. Оптические и структурные свойства тонкихпленок Ge2Sb2Te5Данная глава посвящена исследованию оптических свойств аморфныхи кристаллических тонких пленок GST225.3.1.

Диагностика тонкопленочных структур GST2253.1.1. Элементный анализ тонкопленочных структур GST225ОпределениесоставапленокGe2Sb2Te5 методомрентгеновскойспектроскопии является достаточно сложной задачей, так как сурьма ителлур имеют близкие порядковые номера (соответственно 51 и 52),характеристические рентгеновские спектры лежат в одном диапазонеэнергии, при этом часть линий перекрывается. В результате перекрытияспектральныхлинийсурьмыителлураприменениестандартныхрентгеновских спектрометров для изучения системы Ge-Sb-Te не всегдаявляется эффективным.

В ходе выполнения работы для определения составаполучаемых пленок использовались методы рентгено-флуорисцентногоанализа,обратногорезерфордовскогорассеяниеирентгеновскогомикрозондового анализа.Элементный состав пленки GST225 изучался с помощью рентгенофлуорисцентного анализа (источник 55 Fe, возбуждающие линии – 5,9 и 6,49кэВ, разрешение Si – детектора 100 эВ).

Полученный спектр представлен нарисунке 3.1. Вследствие значительного перекрытия пиков L-серии двух этихэлементов точность данного метода оказалась существенно ниже посравнению с методом обратного резерфордовского рассеяния, что позволяеттолько на полуколичественном уровне говорить о соответствии отношениясурьмы и теллура в пленке отношению этих элементов в исходномсоединении. На рисунке 3.2 представлен спектр полученный методомобратного резерфордовского рассеяния. Соседство сурьмы и теллура впериодической таблице создает отдельные определенные сложности приколичественномспектральноманализе.Поэтомуметодомобратного69резерфордовского рассеяния для тонких пленок состава Ge2Sb2Te5 былоопределено только отношение Ge к (Sb+Te), поскольку пики рассеянныхчастиц, соответствующие сурьме и теллуру, разделить не удалось.

Былоустановлено, что в пределах точности метода (±5%) данное отношение,определенное в эксперименте [Ge0,31(Sb+Te)1], соответствует химическомусоставу Ge2Sb2Te5 [Ge0,29(Sb+Te)1].Рисунок 3.1. Спектр, полученный с помощью рентгенофлуорисцентного анализ атонкой пленкой GST225.Рисунок 3.2. Спектр, полученный методом обратного рассеянияРезерфорда тонкой пленкой GST225.70Наилучшие результаты при определении состава пленок GST225 былиполучены с применением метода растровой электронной микроскопии JEOLссистемойэлементногоанализанаосновеэнерго-дисперсионногоспектрометра (Inka Oxford), при этом удалось определить концентрацию всехвходящих в материал компонентов. Результаты, полученные этим методом,представлены на рисунке 3.3 и в таблице 3.1 (измерения проводились вчетырех точках - № 1-4).Рисунок 3.3.

Спектр пленки Ge2Sb2Te5, полученный методомрентгеновского микрозондового анализа.Таблица 3.1 - Результаты определения состава пленок Ge2Sb2Te5,полученные методом рентгеновского микрозондового анализа.№ измерения1234МахМинСреднееGe, ат.%Sb, ат.%24,520,922,920,523,421,124,222,0Результаты обработки данных24,522,022,920,523,821,1Te, ат.%54,656,655,553,856,653,855,5Как видно из таблицы 3.1 отклонение содержания в пленке Ge и Sb непревышает 1 ат.%, а Te – 1,7 ат.% от среднего значения по всей поверхности.При этом химический состав пленки близок стехиометрическому составуGe2Sb2Te5.

Данные результаты следует признать удовлетворительными.713.1.2. Фазовый анализ тонкопленочных структур GST225Для определения фазового состава были проведены РФА для пленок дои после термообработки. Результаты РФА представлены на рис. 3.4. Длясравнения, были использованы дифрактограммы пленок GST225 излитературы [42] (рис.

3.5).Рисунок(200)Дифрактограммыпленок(111)Интенсивность, отн. ед.3.4.GST225:(220)2спектрисходный(222)Siпленка,–аморфнаяспектротожженная112-пленкаGST225 при 1700 за 5 часов(ГЦК фаза).1015202530352град.4045505560Рисунок3.5.Дифрактограммы пленокGST225 при отжиге 1500и4000(ГЦКигексагональная фаза) [42].Из рисунка 3.4 видно, что в спектре 1 присутствует гало в областиуглов 2θ~17-500, обусловленное аморфной фазой, а рефлекс при 2θ~33.410связан с подложкой Si. Дифрактограмма 2 отожженной пленки GST225показываетналичиегранецентрированнойкубической(ГЦК)фазы.Наблюдалось четыре рефлекса на дифрактограмме 2 при 2θ~25.60, 300, 42.80 и7253.30,соответствующегонаправлениям(111),(200),(220)и(222)соответственно, что соответствует литературным данным [1,29,38,42,50] (см.рис.3.5).Полученныедифрактограммыпоказывают,чтопослетермообработки пленка переходит из аморфной в кристаллическую фазу.3.2.

Спектроскопия КРС и интерпретация полученных результатовНа рис. 3.6 (кривая 1) показан экспериментальный спектр КРС дляаморфныхпленока-GST225.Наблюдалосьчетырепикаразнойинтенсивности: 80, 125, 153 и 300 см-1, после аппроксимации всех спектровраспределением Гаусса при критерии согласия не хуже, чем R2=0.996, ониобозначены как A, B, C и D, соответственно.153125Интенсивность, отн.ед.80BCA3118 158CB6080100120140D1001502002502300Волновое число, см1603504001801450-1Рисунок 3.6. Спектры КРС для пленок GST225: спектр 1- аморфнаяпленка, спектр 2- кристаллическая пленка, спектры 3 –аморфная пленкапосле аппроксимации распределением Гаусса.Анализ литературных данных показал, что в спектрах КРС аморфныхпленок GST225 наблюдаются два главных пика с максимумами ~123 см-1 и~150 см-1 [34,36-40].

Колебание пика B при ~123см-1 связано с колебанием А1моды тетраэдров GeTe4-nGen (n=1,2), связанных между собой вершинами73(рис. 3.7). Данный вывод был сделан в работе [104] при анализе спектровКРС аморфных пленок a-GeTe. В пользу вывода о существованииструктурных единиц GeTe4-nGen (n=1,2), включая наличие гомополярныхсвязей Ge-Ge, также говорят результаты EXAFS [105].

Нужно отметить, чторанее такие структурные единицы возможны также в дихалькогенидахгермания типа GeSe2 и GeS2 согласно [44,106].Рисунок 3.7. Колебание А1 моды GeTe4-nGen (n=1, 2) структурныхединиц [98].При обсуждении пика ~150 см-1 в литературе приводятся несколькоальтернативных мнений. В работе [35] эта мода приписывается колебаниямструктурных единиц типа GeTe4 тетраэдра, связанного по ребрам (рис. 3.8),по аналогии с соединением GeSe2 [44].Рисунок3.8.структурныхединицКолебаниетипаGeTe4тетраэдра, связанного по ребрам [43].Убедительной представляется точка зрения, представленная в работеAndrikopoulosetal.