alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2018.22-24.096-106alternative-1488Research ArticleКОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫSTRUCTURAL MATERIALSПРОЦЕССЫ РОСТА СУБЗЕРЕН И РАЗВИТИЕ МОРФОЛОГИИ ПРИ СИНТЕЗЕ ПЛЕНОК β-SiC НА (111)Si В АТМОСФЕРЕ МЕТАНАGROWTH PROCESSES OF SUBGRAIN AND MORPHOLOGY EVOLUTION IN THE SYNTHESIS OF Β-SiC FILMS AT (111) Si IN THE ATMOSPHERE OF METHANEКузьминаВ. О.KuzminaV. О.

Вероника Олеговна Кузьмина - научный сотрудник

д. 54а, ул. Старых Большевиков, Воронеж, 394064

Veronika Kuzmina - Researcher

54a Starye Bol’sheviki St., Voronezh, 394064

vaiu@mil.ruСолдатенкоС. А.SoldatenkoS. A.

Сергей Анатольевич Солдатенко - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

д. 54а, ул. Старых Большевиков, Воронеж, 394064,

д. 14, Московский пр., Воронеж, 394026

Sergey Soldatenko - Ph.D. in Physics and Mathematics, Assistant Professor, Voronezh State Technical University

54a Starye Bol’sheviki St., Voronezh, 394064,

14 Moskovskaya Av., Voronezh, 394026

pk@vorstu.ruСинельниковА. А.SinelnikovA. А.

Александр Алексеевич Синельников - кандидат физико-математических наук, директор Центра коллективного пользования научного оборудования ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет»

д. 1, Университетская площадь, Воронеж, 394018

Alexandr Sinelnikov - Ph.D. in Physics and Mathematics, director of the Center for Collective Use of Scientific Equipment

1Universitetskaya Square, Voronezh, 39401

office@main.vsu.ruВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»РоссияMilitary Educational and Scientific Center “Air Force Academy named after Professor N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin”Russian FederationВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»; Воронежский государственный технический университетРоссияMilitary Educational and Scientific Center “Air Force Academy named after Professor N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin”; Voronezh State Technical UniversityRussian FederationВоронежский государственный университетРоссияVoronezh State UniversityRussian Federation201804112018022-2496106Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20182018Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1488

Методами просвечивающей электронной микроскопии, дифракции быстрых электронов, атомно-силовой микроскопии и Оже-электронной спектроскопии проведены исследования фазового состава, ориентации, субструктуры и морфологии пленок, образующихся при импульсной фотонной обработке излучением ксеноновых ламп пластин кремния (111) Si в атмосфере метана. Установлено, что в диапазоне плотности энергии излучения (Ep), поступающей на пластины толщиной 450 мкм за 3 с, от 267 Дж·см-2 до 284 Дж·см-2 на обеих поверхностях пластины как с облучаемой, так и с необлучаемой стороны образуются ориентированные нанокристаллические пленки -SiC. При этом на облучаемой стороне синтез пленок осуществляется при возможном участии фотонной активации процессов (ИФО), а на обратной стороне – только термической активации (БТО). Показано, что с увеличением плотности энергии излучения в пленках -SiC средний размер субзерен на облучаемой стороне возрастает с 4,2 нм (Ep = 269 Дж·см-2) до 7,9 нм (Ep = 284 Дж·см-2) и на необлучаемой стороне – с 3,9 нм до 7,0 нм соответственно. Шероховатость поверхности -SiC с увеличением плотности энергии излучения принимает значения на облучаемой стороне от 19 нм (Ep = 269 Дж·см-2) до 60 нм (Ep = 284 Дж·см-2) и на необлучаемой стороне от 11 нм до 56 нм соответственно. На основании температурных зависимостей среднего размера зерна и шероховатости оценены кажущиеся энергии активации процессов. Энергия активации роста субзерен -SiC практически не зависит от способа активации и составляет 1,3 эВ. Энергия активации развития шероховатости составляет при ИФО 2,5 эВ и при БТО 3,5 эВ.

By the methods of transmission electron microscopy, high energy electron diffraction, atomic force microscopy, and Auger electron spectroscopy, the article studies the phase composition, orientation, substructure, and morphology of the films formed during pulsed photon treatment (PPT) by radiation of xenon lamps of silicon (111) Si substrates in an atmosphere of methane. We have established that in the range of the energy density of radiation (Ep) supplied to the substrate with a thickness of 0.45 μm for 3 s from 269 to 284 J cm-2 the oriented nanocrystalline films are formed on both surfaces of the substrates both from the irradiated and non-irradiated side β-SiC thickness of about 150 nm. In this case, the synthesis of films on the irradiated side is carried out with the possible participation of photon activation of processes and on the reverse side – only by thermal activation (short-term heat treatment (SHT). With an increase in the energy density of radiation in β-SiC films, the average subgrain size on the irradiated side is shown to increase from 4.2 nm (Ep = 269 J ·cm-2) to 7.9 nm (Ep = 284 J ·cm-2) and on the non-irradiated side 3.9 to 7.0 nm respectively. The surface roughness of the β-SiC surface proceeds consequentially on the irradiated side from 19 nm (Ep = 269 J ·cm-2) to 60 nm (Ep = 284 J ·cm-2) and on the non-irradiated side from 11 nm to 56 nm respectively. Based on the temperature dependences of the average grain size and roughness, we have estimated the apparent activation energies of the processes. The activation energy of subgrain β-SiC growth is practically independent of the activation method and is 1.3 eV. The activation energy for the evolution of roughness is 2.5 eV at a PPT and 3.5 eV at a SHT.

импульсная фотонная обработкабыстрый термический отжигкарбид кремнияориентациясубструктураморфология поверхностиэнергия активацииpulsed photon treatmentshort-term heat treatmentsilicon carbideorientationsubstructuresubgrainsurface morphologyroughnessactivation energyReferencesО’Нейл, М. Устройства на основе карбида кремния повышают КПД систем преобразования солнечной энергии [Текст] / М. О’Нейл // Силовая электроника. − 2009. − № 1. − С. 8–12.O'Neill M. Silicon carbide-based devices increase the efficiency of solar energy conversion systems (Ustroistva na osnove karbida kremniya povyshayut KPD sistem reobrazovaniya solnechnoy energii). Power electronics, 2009;(1):8−12 (in Russ.).Лебедев, А.А. Вечнозеленый полупроводник [Текст] / А.А. Лебедев // Химия и жизнь. − 2006. − № 4. − С. 14–19.Lebedev A.A. Evergreen semiconductor (Vechnozelenyi poluprovodnik). Chemistry and Life, 2006;(4):14−19 (in Russ.).Лучинин, В.В. Отечественный полупроводниковый карбид кремния: шаг к паритету [Текст] / В.В. Лучинин, Ю.Н. Таиров // Современная электроника. − 2009. − № 7. − С. 12–15.Luchinin V.V., Tairov Yu.N. Domestic semiconductor silicon carbide: a step to parity (Otechestvennyi poluprovodnikovyi karbid kremniya: shag k paritetu). Modern electronics, 2009;(7):12−15 (in Russ.).Cheng, L. Growth and Doping of SiC-Thin Films on Low-Stress, Amorphous Si3N4/Si Substrates for Robust Microelectromechanical Systems Applications [Text] / L. Cheng [et al.] // Journal of Electronic Materials. − 2002. − Vol. 31. – No. 5. − P. 361–365.Cheng L., Pan M., Scofield J., J.Steckl A. Growth and Doping of SiC-Thin Films on Low-Stress, Amorphous Si3N4 / Si Substrates for Robust Microelectromechanical Systems Applications. Journal of Electronic Materials, 2002;31(5):361−365.Chen, Y. Heteroepitaxial growth of 3C-SiC using HMDS by atmospheric CVD [Text] / Y. Chen // J. Mater. Sci. and Eng. − 1999. − Vol. 61−62. − P. 579−582.Chen Y. Heteroepitaxial growth of 3C-SiC using HMDS by atmospheric CVD. J. Mater. Sci. and Eng., 1999;61−62:579−582.Hatanaka, Y. Experiments and analyses of SiC thin film deposition from organo-silicon by a remote plasma method [Text] / Y. Hatanaka // Thin Solid Films. − 2000. – No. 2. − P. 287−291.Hatanaka Y. Experiments and analyses of SiC thin film deposition from organo-silicon by a remote plasma method. Thin Solid Films, 2000;(2):287−291.Ellison, A. Epitaxial growth of SiC in a chimney CVD reactor [Text] / A. Ellison // J. Cryst. Growth. − 2002. – No. 1−3. − P. 225−238.Ellison A. Epitaxial growth of SiC in a chimney CVD reactor. J. Cryst. Growth, 2002;(1−3):225−238.Luo, M.C. Epitaxial growth and characterization of SiC on C-plane sapphire substrates by ammonia nitridation [Text] / M.C. Luo // J. Cryst. Growth. − 2003. – No. 1−2. − P. 1−8.Luo M. C. Epitaxial growth and characterization of SiC on C-plane sapphire substrates by ammonia nitridation. J. Cryst. Growth, 2003;(1−2):1−8.Attenberger, W. Structural and morphological investigations of the initial stages in solid source molecular beam epitaxy of SiC on (111)Si [Text] / W. Attenberger [et al.] // J. Materials Science and Engineering: B. − 1999. − Vol. 61−62. − P. 544−548.Attenberger W., Lindner J., Cimalla V., Pezoldt J. Structural and morphological studies of the initial stages in a solid-state molecular beam epitaxy of SiC on (111) Si. J. Materials Science and Engineering: B, 1999;61−62:544−548.Shimizu, H. Hetero-Epitaxial Growth of 3C-SiC on Carbonized Silicon Substrates [Text] / H. Shimizu, K. Hisada // Materials Science Forum. − 2003. − Vol. 433−436. − P. 229−232.Shimizu H., Hisada K. Hetero-Epitaxial Growth of 3C-SiC on Carbonized Silicon Substrates. Materials Science Forum, 2003;433−436:229−232.Кукушкин, С.А. Синтез эпитаксиальных пленок карбида кремния методом замещения атомов в кристаллической решетке кремния [Текст] / С.А. Кукушкин, А.В. Осипов, Н.А. Феоктистов // Физика твердого тела. − 2014. – Т. 56. – В. 8. − С. 1457−1485.Kukushkin S.A., Osipov A.V., Feoktistov N.A. Synthesis of epitaxial silicon carbide films by the substitution of atoms in the silicon lattice (Sintez epitaksial'nykh plenok karbida kremniya metodom zameshcheniya atomov v kristallicheskoy reshetke kremniya). Physics of the solid body, 2014;56(8):1457−1485 (in Russ.).Ferro, G. 3C-SiC Heteroepitaxial Growth on Silicon: The Quest for Holy Grail [Text] / G. Ferro // Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. − 2015. – No. 40. − P. 56–76.Ferro G. 3C-SiC Heteroepitaxial Growth on Silicon: The Quest for Holy Grail. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 2015;(40):56−76.Bittencourt, C. Reaction of Si(100) with SilaneMethane Low-Power Plasma; SiC Buffer layer formation [Text] / C. Bittencourt // Journal of Applied Physics. − 1999. – Vol. 86. − P. 4643−4648.Bittencourt C. Reaction of Si (100) with SilaneMethane Low-Power Plasma; SiC Buffer layer formation. Journal of Applied Physics, 1999;86:4643−4648.Иевлев, В.М. Состав и структура силицидов образующихся при импульсной фотонной обработке пленок титана на монокристаллическом к аморфном кремнии [Текст] / В.М. Иевлев [и др.] // ФХОМ. − 1997. – № 4. − С. 62−67.Ievlev V.M., Rubtsov V.I., Kushchev S.B., Sarykalin V.N., Soldatenko S.A. Composition and structure of silicides formed by pulsed photonic processing of titanium films on a single crystal to amorphous silicon (Sostav i struktura silitsidov obrazuyushchikhsya pri impul'snoi fotonnoi obrabotke plenok titana na monokristallicheskom i amorfnom kremnii). FHOM, 1997;(4):62−67 (in Russ.).Иевлев, В.М. Твердофазный синтез силицидов при импульсной фотонной обработке гетеросистем Si–Me (Me: Pt, Pd, Ni, Mo, Ti) [Текст] / В.М. Иевлев, С.Б. Кущев, В.Н. Санин // ФХОМ. − 2002. – № 1. − С. 27−31.Ievlev V.M., Kushchev S.B., Sanin V.N. Solidphase synthesis of silicides during pulsed photonic processing of Si-Me heterostructures (Me: Pt, Pd, Ni, Mo, Ti) (Tverdofaznyi sintez silitsidov pri impul'snoi fotonnoi obrabotke geterosistem Si-Me (Me: Pt, Pd, N i, Mo, Ti)). FHOM, 2002;(1):27−31 (in Russ.).Иевлев, В.М. Синтез силицидов иридия при импульсной фотонной обработке пленок металла на кремнии [Текст] / В.М. Иевлев [и др.] // Вестник ВГТУ, сер. Материаловедение. − 2002. – Вып. 1.11. − С. 87−93.Ievlev V.M., Kushchev S.B., Rudneva I.G., Serbin O.V., Soldatenko S.A. Synthesis of iridium silicides for pulsed photonic processing of metal films on silicon (Sintez silitsidov iridiya pri impul'snoi fotonnoi obrabotke plenok metalla na kremnii). Bulletin of VSTU: Material Science, 2002;(1.11):87−93 (in Russ.).Борисенко В.Е. Твердофазные процессы в полупроводниках при импульсном нагреве [Текст] / В.Е. Борисенко // Минск: Наука и техника. − 1992. − 247 с.Borisenko V. E. Solid-State Processes in Semiconductors with Pulsed Heating (Tverdofaznye protsessy v poluprovodnikakh pri impul'snom nagreve). Minsk: Nauka i Tekhnika Publ., 1992; 247 p. (in Russ.)Иевлев, В.М. Синтез наноструктурированных пленок SiC при импульсной фотонной обработке Si в углеродсодержащей среде [Текст] / В.М. Иевлев [и др.] // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. − 2009. – № 10. − С. 48−53.Ievlev V.M., Il'in V.S., Kushchev S.B., Soldatenko S.A., Lukin A.N., Belonogov Ye.K. Synthesis of nanostructured SiC films during pulsed photon processing of Si in a carbon-containing medium (Sintez nanostrukturirovannykh plenok SiC pri impul'snoi fotonnoi obrabotke Si v uglerodsoderzhashchei srede). Surface. X-ray, synchrotron and neutron studies, 2009;(10):48−53 (in Russ.).Кущев, С.Б. Синтез пленок SiC на Si при импульсной фотонной обработке и быстром термическом отжиге в углеродсодержащей среде [Текст] / С.Б. Кущев, С.А. Солдатенко // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). − 2011. – № 7. − С. 18−22.Kushchev S.B., Soldatenko S.A. Synthesis of SiC films on Si under pulsed photon processing and rapid thermal annealing in a carbon-containing medium (Sintez plenok SiC na Si pri impul'snoi fotonnoi obrabotke i bystrom termicheskom otzhige v uglerodsoderzhashchei srede). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2011;(7):18−22 (in Russ.).Рowder Diffraction File. Alphabetical Index Inorganic Сompounds. Pensilvania: ICPDS, 1997.Plowder Diffraction File. Alphabetical Index Inorganic. Pensilvania: ICPDS, 1997.Bockstedte, M. Ab initio study of the migration of intrinsic defects in 3C−SiC [Text] / M. Bockstedte, A. Mattausch, O. Pankratov // Physical Review. − 2003. − B 68. − P. 205201-1−205201-17.Bockstedte M., Mattausch A., Pankratov O. Ab initio study of the migration of intrinsic defects in 3C-SiC. Physical Review, 2003;(B 68):205201-1−205201-17.Van Dijen, F. K. The Chemistry of the Carbothermal Synthesis of /3-SIC: Reaction Mechanism, Reaction Rate and Grain Growth [Text] / F.K. Van Dijen, R. Metselaar // Journal of the European Ceramic Society. − 1991. – No. 7. − P. 177–184.Van Dijen F.K., Metselaar R. The Chemistry of the Carbothermal Synthesis of / 3-SIC: Reaction Mechanism, Reaction Rate and Grain Growth. Journal of the European Ceramic Society, 1991;(7):177−184.Pelleg, J. Springer International Publishing AG / J. Pelleg. – 2017. – 443 p.Pelleg J. Springer International Publishing AG. 2017; 443 p.Синельников, Б.М. Модель электропроводности аморфных пленок карбида кремния с позиции фрактально-кластерной модели [Текст] / Б.М. Синельников [и др.] // Вестник Северо-Кавказского технического университета. − 2007. – № 1 (10). − С. 16–19.Sinelnikov B.M. Tarala V.A., Kasharina L.A., Pichugin R.V., Mitchenko I.S. Model of electrical conductivity of amorphous silicon carbide films from the viewpoint of a fractal-cluster model (Model' elektroprovodnosti amorfnykh plenok karbida kremniya s pozitsii fraktal'no-klasternoi modeli). Bulletin of the North-Caucasian Technical University, 2007;1(10):16−19 (in Russ.).Pantea, C. Kinetics of SiC formation during high P T reaction between diamond and silicon [Text] / C. Pantea [et al.] // Diamond & Related Materials. − 2005. – No. 14. − P. 1611–1615.Pantea C., Voronin G.A., Zerda T.W., Zhang J., Wang L., Wang Y., Uchida T., Zhao Y. Kinetics of SiC formation during high P T reaction between diamond and silicon. Diamond & Related Materials, 2005;(14):1611−1615.

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