ФОРМИРОВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО SiC В ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ КРЕМНИЯ МЕТОДОМ СОГЛАСОВАННОГО ЗАМЕЩЕНИЯ АТОМОВ

В работе на поверхности кремниевой пластины Si(100) методом согласованного замещения атомов синтезированы монокристаллические пленки карбида кремния. Синтез пленок осуществлен при температурах 1200 °С и 1300 °С в течение 20 минут в потоке газа CO при давлении 0.8 Па. Анализируется влияние температур 1200–1300 °С на формирование методом замещения атомов моно- и поликристаллического слоев, а также наноструктурированных фаз SiC в приповерхностной области кремния. Показано формирование высококачественной кристаллической пленки карбида кремния и влияние условий синтеза на общий объем структурных фаз SiC, микроструктуру и наноструктуру поверхности. Обнаружено, что увеличение температуры с 1200 °С до 1300 °С привело к более интенсивному формированию карбида кремния и росту количества Si- C-связей в 1,9 раза вследствие увеличения толщины синтезированного слоя карбида кремния. Происходит увеличение доли кристаллической фазы за счет более интенсивной трансформации зародышей нанокристаллов в микро- и нанокристаллы. Предположены интенсивные процессы проникновения атомов углерода вглубь кремния при температуре 1300 °С с аморфизацией его структуры и образованием Si-C-связей, которые могут трансформироваться в кристаллические фазы при температурах выше 1300 °С. Доля кристаллической фазы SiC увеличивается до 50,2% объема пленки за счет интенсивной трансформации зародышей нанокристаллов в микро- и нанокристаллы. Экспериментально показано, что формирование разнообразных структур SiC на Si (100) происходит в полном соответствии с основными положениями метода согласованного замещения атомов.

1. Kukushkin S.A., Osipov A.V. (2008) New method for growing silicon carbide on silicon by solid-phase epitaxy: Model and experiment, Physics of the Solid State, vol. 50 (7), pp. 1238–1245. https://doi.org/10.1134/S1063783408070081

2. Kukushkin S.A., Osipov A.V. and Feoktistov N.A. (2014) Synthesis of Epitaxial Silicon Carbide Films through the Substitution of Atoms in the Silicon Crystal Lattice: A Review, Physics of the Solid State, vol. 56 (8), pp.1507–1535. https://doi.org/10.1134/S1063783414080137

3. Kukushkin S.A., Osipov A.V. (2012) Thin-film heteroepitaxy by the formation of the dilatation dipole ensemble, Doklady Physics, vol. 57, pp. 217–220. https:// doi.org/10.1134/S1028335812050072

4. Kukushkin S.A., Osipov A.V. (2014) Topical review. Theory and practice of SiC growth on Si and its applications to wide-gap semiconductor films, Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 47, 313001–313001–41. https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/31/313001

5. Kukushkin S.A., Osipov A.V. (2022) Thermodynamics, kinetics, and technology of synthesis of epitaxial layers of silicon carbide on silicon by coordinated substitution of atoms, and its unique properties. A review, Condensed Matter and Interphases, vol. 24(4), pp. 407–458. https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/10549

6. Kelly A., Groves G.W. (1970) Crystallography and crystal defects. London: Longman, 428 p. https://books.google.kz/books/about/Crystallography_and_Crystal_Defects.html?id=1bC6nQEACAAJ&redir_esc=y

7. Kukushkin S.A., Osipov A.V. and Soshnikov I.P. (2017) Growth of epitaxial SiC layer on Si (100) surface of n- and p-type of conductivity by the atoms substitution method, Reviews on Advanced Materials Science, vol. 52, pp. 29–42. http://www.ipme.ru/e-journals/RAMS/no_15217/05_15217_kukushkin.pdf

8. Kukushkin S.A., Osipov A.V. (2017) Drift mechanism of mass transfer on heterogeneous reaction in crystalline silicon substrate, Physica B: Condensed Matter, vol. 512, pp. 26–31. http://dx.doi.org/10.1016/j.physb.2017.02.018.

9. Nussupov K.Kh., Beisenkhanov N.B., Bakranova D.I., Keinbai S., Turakhun A.A., Sultan A.A. (2018) Razrabotka i izgotovleniye vakuumnoy elektropechi dlya termoobrabotki i sinteza nanostruktur i materialov (Development and manufacture of a vacuum electric furnace for heat treatment and synthesis of nanostructures and materials.), Vestnik KBTU, vol. 3(46), pp. 134–144.

10. Kukushkin S.A., Nussupov K.Kh., Osipov A.V., Beisenkhanov N.B., Bakranova D.I. (2017) Structural properties and parameters of epitaxial silicon carbide films, grown by atomic substitution on the high-resistance (111) oriented silicon, Superlattices and Microstructures, vol. 111, pp. 899–911. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2017.07.050

11. Kukushkin S.A., Nusupov K.Kh., Osipov A.V., Beisenkhanov N.B. and Bakranova D.I. (2017) 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, vol. 59 (5), pp. 1014–1026. https://doi.org/10.1134/S1063783417050195

12. Nussupov K.Kh., Beisenkhanov N.B., Keiinbay S., Sultanov A.T. (2022) Silicon carbide synthesized by RF magnetron sputtering in the composition of a double layer antireflection coating SiC/MgF2, Optical Materials, 112370, pp. 1–10. https: //doi.org/10.1016/j.optmat.2022.112370

13. Mutschke H., Andersen A.C., Clément D., Peiter H.T. (1999) Infrared properties of SiC particles, Astron. Astrophys, vol. 345, pp. 187–202. https://adsabs.harvard.edu/full/1999A%26A...345..187M

14. Kimura T., Kagiyama Sh. and Yugo Sh. (1981) Structure and annealing properties of silicon carbide thin layers formed by ion implantation of carbon ions in silicon, Thin Solid Films, 81, pp. 319–327. https://doi.org/10.1016/0040-6090(81)90516-2

15. Nussupov K.Kh., Beisenkhanov N.B. (2011) 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, Ed. Moumita Mukherjee, InTech, Chapter 4, pp. 69–114. https://doi.org/10.5772/22256