kaz29Вестник Казахстанско-Британского технического университетаHerald of the Kazakh-British Technical University1998-66882959-8109Казахстанско-Британский Технический Университетkaz29-194Research ArticleХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ И ЭКОЛОГИЯCHEMICAL, TECHNOLOGICAL AND ENVIRONMENTAL SCIENCESСТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА ПЛЕНКИ КАРБИДА КРЕМНИЯ, СИНТЕЗИРОВАННОЙ МЕТОДОМ ЗАМЕЩЕНИЯ АТОМОВSTRUCTURAL PROPERTIES OF A SILICON CARBIDE FILM SYNTHESIZED BY THE ATOM SUBSTITUTION METHODНусуповК. Х.NussupovK. Kh.

д. ф.-м. н., профессор

БейсенхановН. Б.BeisenkhanovN. B.

д. ф.-м. н, профессор, ГНС

БакрановаД. И.BakranovaD. I.

PhD, СНС

КейнбайС.KeiinbayS.

PhD, МНС

Казахстанско-Британский технический университетКазахстан2019091120211647278Copyright © Нусупов К.Х., Бейсенханов Н.Б., Бакранова Д.И., Кейнбай С., 20212021Нусупов К.Х., Бейсенханов Н.Б., Бакранова Д.И., Кейнбай С.Nussupov K.K., Beisenkhanov N.B., Bakranova D.I., Keiinbay S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.kbtu.edu.kz/jour/article/view/194

В работе в приповерхностной области пластины Si (100) методом замещения атомов синтезированы монокристаллические пленки карбида кремния, содержащие кристаллические фазы ß-SiC и 2H-SiC. Синтез пленок осуществлен в специальной лабораторной электропечи при температуре 1250°С в течение 20 минут в потоке газа CO при давлении 0.8 Па. Методами высокочувствительной рентгеновской дифракции и инфракрасной спектроскопии показано присутствие нанокристаллов SiC с высокой степенью совершенства структуры. Эти нанокристаллы могут располагаться как на границе раздела «пленка SiC-подложка Si», так и внутри кремниевой подложки, покрывая внутреннюю поверхность пор. Показано, что около 80 % Si-C-связей содержатся в составе кристаллической фазы карбида кремния, включая монокристаллический слой, нанокристаллы и их зародыши. Аморфная фаза карбида кремния (9,3 %) в пленке представляет собой смесь сильно дефектных деформированных нанокристаллов. Максимумы компонент при 785,5 см-1 и 788,0 см-1 аморфной фазы смещены близко в сторону 795,9 см-1, характерной для кристаллической фазы / в-SiC (ЗС-SiC). Это обусловлено повы­шенной температурой синтеза (1250 °С) пленки карбида кремния. Также часть Si-C-связей (10,4 %) включены в состав SiC-кластеров и дилатационных диполей.

In this work, the atomic substitution method was used to synthesize a single-crystal silicon carbide film containing crystalline ß-SiC and 2H-SiC phases in the surface region of a Si (100) wafer. The films were synthesized in a special laboratory electric furnace at a temperature of 1250°C for 20 minutes in a flowing CO gas at a pressure of 0.8 Pa. Using the methods of high-sensitivity X-ray diffraction and infrared spectroscopy, the presence of SiC nanocrystals with a high degree of structural perfection has been shown. These nanocrystals can be located both at the interface “SiCfilm - Si substrate” and inside the silicon substrate, covering the inner pore surface. It was shown that about 80 % of Si - C bonds are contained in the crystalline phase of silicon carbide, including the single crystal layer, nanocrystals, and their nuclei. The amorphous phase of silicon carbide (9.3%) in the film is a mixture of highly defective deformed nanocrystals. The maxima of the components at 785.5 cm-1 and 788.0 cm-1 of the amorphous phase are shifted close to 795.9 cm-1, which is characteristic of the crystalline в-SiC (ЗС-SiC) phase. This is due to the increased synthesis temperature (1250 °C) of silicon carbide film. Also, part of the Si-C bonds (10.4 %) are included in the composition of SiC clusters and dilatation dipoles.

карбид кремнияструктуракристаллизациясинтезметод замещения атомовsilicon carbidestructurecrystallizationsynthesismagnetron sputteringatom substitution methodReferencesE. Tschumak, K. Tonisch, J. Pezoldt, D.J. Comparative Study of 3C-GaN Grown on Semi­insulating 3C-SiC/Si (100) Substrates // As. Mater. Sci. Forum. - 2009. - 615-617. - P. 943-946.E. Tschumak, K. Tonisch, J. Pezoldt, D.J. Comparative Study of 3C-GaN Grown on Semi­insulating 3C-SiC/Si (100) Substrates // As. Mater. Sci. Forum. - 2009. - 615-617. - P. 943-946.K. C. Kim, C. II. Park, J. II.Roh, K. S. Nahm, Y. H. Seo. Formation mechanism of interfacial voids in the growth of SiC films on Si substrates // J. Vac. Sci. Technol. A. - 2001. - 19 (5) . - P.2636-2641.K. C. Kim, C. II. Park, J. II.Roh, K. S. Nahm, Y. H. Seo. Formation mechanism of interfacial voids in the growth of SiC films on Si substrates // J. Vac. Sci. Technol. A. - 2001. - 19 (5) . - P.2636-2641.Y. H. Zhu, J. C. Zhang, Z. T. Chen, T. Egawa. Demonstration on GaN-based light-emitting diodes grown on 3C-SiC/Si (111) // J. Appl. Phys. - 2009. - 106. - P. 124506-1-124506-4.Y. H. Zhu, J. C. Zhang, Z. T. Chen, T. Egawa. Demonstration on GaN-based light-emitting diodes grown on 3C-SiC/Si (111) // J. Appl. Phys. - 2009. - 106. - P. 124506-1-124506-4.F. Iacopi, G. Walker, Li Wang, L. Malesys, Shujun Ma, B. V. Cunning, A. Lacopi. Orientation-dependent stress relaxation in hetero-epitaxial 3C-SiC films //Appl. Phys. Lett. - 2013. - 102. - P.011 908-1-011 908-4.F. Iacopi, G. Walker, Li Wang, L. Malesys, Shujun Ma, B. V. Cunning, A. Lacopi. Orientation-dependent stress relaxation in hetero-epitaxial 3C-SiC films //Appl. Phys. Lett. - 2013. - 102. - P.011 908-1-011 908-4.S.A. Kukushkin, A. V Osipov, and N. A. Feoktistov. Synthesis of Epitaxial Silicon Carbide Films through the Substitution of Atoms in the Silicon Crystal Lattice: A Review // Physics of the Solid State. - 2014. - Vol. 56 (8). - P.1507-1535.S.A. Kukushkin, A. V Osipov, and N. A. Feoktistov. Synthesis of Epitaxial Silicon Carbide Films through the Substitution of Atoms in the Silicon Crystal Lattice: A Review // Physics of the Solid State. - 2014. - Vol. 56 (8). - P.1507-1535.Calcagno L., Musumeci P., Roccaforte F., Bongiorno C., Foti G. Crystallization mechanism of amorphous silicon carbide. // Appl. Surf. Sci. - 184. - 2001. - P. 123-127.Calcagno L., Musumeci P., Roccaforte F., Bongiorno C., Foti G. Crystallization mechanism of amorphous silicon carbide. // Appl. Surf. Sci. - 184. - 2001. - P. 123-127.Nussupov K. Kh., Beisenkhanov N. B., Zharikov S. K., Beisembetov I. K., Kenzhaliev B. K., Akhmetov T. K., Seitov B. Zh. Structure and Composition of Silicon Carbide Films Synthesized by Ion Implantation. // Phys. Solid State. - 56 (11). - 2014. - P. 2307-2321.Nussupov K. Kh., Beisenkhanov N. B., Zharikov S. K., Beisembetov I. K., Kenzhaliev B. K., Akhmetov T. K., Seitov B. Zh. Structure and Composition of Silicon Carbide Films Synthesized by Ion Implantation. // Phys. Solid State. - 56 (11). - 2014. - P. 2307-2321.Kukushkin S. A., Osipov A. V., Feoktistov N. A. Synthesis of epitaxial silicon carbide films through the substitution of atoms in the silicon crystal lattice: a review. // Phys. Solid State. - 56 (8). - 2014. - P. 1507-1535.Kukushkin S. A., Osipov A. V., Feoktistov N. A. Synthesis of epitaxial silicon carbide films through the substitution of atoms in the silicon crystal lattice: a review. // Phys. Solid State. - 56 (8). - 2014. - P. 1507-1535.Kukushkin S. A., Nussupov K. Kh., Osipov A. V, Beisenkhanov N. B., Bakranova D. I. Structural properties and parameters of epitaxial silicon carbide films, grown by atomic substitution on the high-resistance (111) oriented silicon. // Superlattices and Microstructures. - 111. - 2017. - P. 899-911.Kukushkin S. A., Nussupov K. Kh., Osipov A. V, Beisenkhanov N. B., Bakranova D. I. Structural properties and parameters of epitaxial silicon carbide films, grown by atomic substitution on the high-resistance (111) oriented silicon. // Superlattices and Microstructures. - 111. - 2017. - P. 899-911.Nussupov K. Kh.,Beisenkhanov N. B. The Formation of Silicon Carbide in the SiCx Layers (x = 0.03-1.4) Formed by Multiple Implantation of C Ions in Si. In book: Silicon carbide - Materials, Processing and Applications in Electronic Devices. - 2011. - Ed. Moumita Mukherjee. - InTech. - Chapter 4. - P. 69 - 114.Nussupov K. Kh.,Beisenkhanov N. B. The Formation of Silicon Carbide in the SiCx Layers (x = 0.03-1.4) Formed by Multiple Implantation of C Ions in Si. In book: Silicon carbide - Materials, Processing and Applications in Electronic Devices. - 2011. - Ed. Moumita Mukherjee. - InTech. - Chapter 4. - P. 69 - 114.Нусупов К. Х., Бейсенханов Н. Б., Бакранова Д. И., Кешнбай С., Турахун А. А., Султан А. А. Разработка и изготовление вакуумной электропечи для термообработки и синтеза наноструктур и материалов. // Вестник КБТУ - 3 (46). - 2018. - C. 134-144.Нусупов К. Х., Бейсенханов Н. Б., Бакранова Д. И., Кешнбай С., Турахун А. А., Султан А. А. Разработка и изготовление вакуумной электропечи для термообработки и синтеза наноструктур и материалов. // Вестник КБТУ - 3 (46). - 2018. - C. 134-144.Mutschke H., Andersen A. C., Clement D., Henning T. Peiter. Infrared properties of SiC particles // Astron. Astrophys. - 1999. - V. 345. -P. 187-202.Mutschke H., Andersen A. C., Clement D., Henning T. Peiter. Infrared properties of SiC particles // Astron. Astrophys. - 1999. - V. 345. -P. 187-202.S. A. Kukushkin, K. Kh. Nusupov, A. V Osipov, N. B. Beisenkhanov and D. I. Bakranova. X-Ray Reflectometry and Simulation of the Parameters of SiC Epitaxial Films on Si (111), Grown by the Atomic Substitution Method. Physics of the Solid State. 2017. 59 (5). 1014-1026.S. A. Kukushkin, K. Kh. Nusupov, A. V Osipov, N. B. Beisenkhanov and D. I. Bakranova. X-Ray Reflectometry and Simulation of the Parameters of SiC Epitaxial Films on Si (111), Grown by the Atomic Substitution Method. Physics of the Solid State. 2017. 59 (5). 1014-1026.Borders J. A., Picraux S. T., Beezhold W. Formation of SiC in silicon by ion implantation. Appl. Phys. Lett. 1971. V. 18. 11. Р. 509-511.Borders J. A., Picraux S. T., Beezhold W. Formation of SiC in silicon by ion implantation. Appl. Phys. Lett. 1971. V. 18. 11. Р. 509-511.Баранова E. K., Демаков К. Д., Старинин K. B., Стрельцов Л. Н., Хайбуллин И. Б. Исследование монокристаллических пленок SiC, полученных при бомбардировке ионами С+ монокристаллов Si. // Доклады АН СССР - 1971. - 200. - C. 869-870.Баранова E. K., Демаков К. Д., Старинин K. B., Стрельцов Л. Н., Хайбуллин И. Б. Исследование монокристаллических пленок SiC, полученных при бомбардировке ионами С+ монокристаллов Si. // Доклады АН СССР - 1971. - 200. - C. 869-870.Chen D., Cheung W. Y., Wong S. P. Ion beam induced crystallization effect and groth kinetics of buried SiC layers formed by carbon implantation into silicon. // Nuclear Instruments and Methods in Phys. Res. B. 148. - 1999. - P. 589-593.Chen D., Cheung W. Y., Wong S. P. Ion beam induced crystallization effect and groth kinetics of buried SiC layers formed by carbon implantation into silicon. // Nuclear Instruments and Methods in Phys. Res. B. 148. - 1999. - P. 589-593.S. A. Grudinkin, V. G. Golubev , A. V. Osipov, N. A. Feoktistov and S. A. Kukushkin. Infrared Spectroscopy of Silicon Carbide Layers Synthesized by the Substitution of Atoms on the Surface of Single-Crystal Silicon // Physics of the Solid State. 2015. 57 (12), pp. 2543-2549.S. A. Grudinkin, V. G. Golubev , A. V. Osipov, N. A. Feoktistov and S. A. Kukushkin. Infrared Spectroscopy of Silicon Carbide Layers Synthesized by the Substitution of Atoms on the Surface of Single-Crystal Silicon // Physics of the Solid State. 2015. 57 (12), pp. 2543-2549.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.