mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2022-1-92-102mateltech-472Research ArticleАтомные структуры и методы структурных исследованийATOMIC STRUCTURES AND METHODS OF STRUCTURAL INVESTIGATIONSПрименение методов рентгеновской дифрактометрии и рефлектометрии для анализа нарушенного слоя полярных граней ZnO после химико-механической обработки поверхностиApplication of X-ray diffraction and reflectometry methods for analysis of damaged layers on polar faces of ZnO after surface chemical-mechanical treatmenthttps://orcid.org/0000-0003-4455-9730ЩербачевК. Д.ShcherbachevK. D.

6 Felsenweg, Schnaittach-Homersdorf 91220

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Щербачев Кирилл Дмитриевич — исследователь (1), ведущий инженер (2)

6 Felsenweg, Schnaittach-Hormersdorf 91222

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Kirill D. Shcherbachev — Researcher (1), Leading Engineer (2)

chterb@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-0233-7902ВороноваМ. И.VoronovaM. I.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Воронова Марина Игоревна — ведущий инженер

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Marina I. Voronova — Leading Engineer,

mvoron@bk.ruXRD Eigenmann GmbH; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»ГерманияXRD Eigenmann GmbH; National University of Science and Technology MISiSGermanyНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology MISiSRussian Federation20221404202225192102Copyright © Щербачев К.Д., Воронова М.И., 20222022Щербачев К.Д., Воронова М.И.Shcherbachev K.D., Voronova M.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/472

Монокристаллы ZnO применяют для лазерных мишеней (JIM) квантоскопов, излучающих в УФ-диапазоне при облучении высокоэнергетическими электронами, и подложек под гомоэпитаксию при создании лазеров. Технология производства УФ-светодиодов на основе ZnO предъявляет высокие требования к качеству подготовки поверхности. Химико-механическая полировка (ХМП) обеспечивает хорошее качество поверхности, однако, известно, что полировка полярных поверхностей ZnO может быть разной. Для исследования структуры полярных (0001) и (000–1) граней ZnO после ХМП использовали методы рентгеновской дифракции высокого разрешения (РДВР) и рентгеновской рефлектометрии (РР), чувствительные к качеству поверхности. Две двухсторонне полированные подложки ZnO (0001) были вырезаны из разных слитков, выращенных гидротермальным методом. Профили глубины повреждения и плотности для Zn- и O-сторон образцов были восстановлены по кривым дифракционного отражения (КДО) и кривым зеркального отражения соответственно. Распределение интенсивности вблизи узлов обратной решетки ZnO (0002) и ZnO (0000) измеряли в трехкристальной геометрии на рентгеновском дифрактометре D8 Discover (Bruker-AXS, Германия). Для разделения когерентного и некогерентного вкладов в рассеяние анализировали интенсивность на участках, перпендикулярных к вектору дифракции и расположенных на разных расстояниях от узлов обратной решетки. Результаты РДВР и РР сравнивали с данными, полученными методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Метод РДВР выявил наличие поврежденного слоя на обеих сторонах образцов, но толщина слоя различается для стороны Zn и O: 5—7 нм для Zn-стороны и 10—11 нм для O-стороны. Метод РР показал, что обе стороны достаточно гладкие. Эти результаты были подтверждены измерениями АСМ (среднеквадратичное значение шероховатости ~ 0,23 ± 0,07 нм). Однако было обнаружено изменение концентрации электронов в приповерхностном слое. Толщина слоя больше для О-стороны. Сделано предположение, что наблюдаемые эффекты вызваны различным химическим взаимодействием Zn- и O-поверхностей с полировальными реагентами.

ZnO single crystals are used for the fabrication of laser targets for high-energy electron irradiated UV laser cathode-ray tubes and homoepitaxial substrates for lasers. The technology of ZnO based UV LEDs imposes strict requirements to surface quality. Chemical-mechanical polishing delivers good surface quality but it is known that polishing of ZnO polar faces may yield different results. Surface-sensitive high-resolution X-ray diffraction (HRXRD) and X-ray reflectometry (XRR) methods have been used for studying the structure of (0001) and (000–1) polar faces of ZnO after chemical-mechanical polishing. Two double-sided polished (0001) ZnO substrates have been cut out from different hydrothermally grown ingots. The damage and density depth profiles for the Zn and O faces of the specimens have been retrieved from the X-ray diffraction curves and the specular reflection curves, respectively. Intensity distributions in the vicinity of the (0002) and (0000) reciprocal lattice points have been taken on a D8 Discover X-ray diffractometer (Bruker-AXS, Germany) in a triple-axis setup. For separating the coherent and incoherent scattering components, the intensity profiles have been analyzed along sections perpendicular to the diffraction vector and located at different distances from the reciprocal lattice sites. The HRXRD and XRR data have been compared with atomic force microscopy (AFM) data. The HRXRD method has revealed damaged layers at both faces of the specimens, with the layer thicknesses differing for the Zn and O faces, i.e., 5–7 nm for the Zn face and 10–11 nm for the O face. The XRR method has shown that both faces are sufficiently smooth. These results have been confirmed by AFM (RMS roughness ~ 0.23 ± 0.07 nm). However, the concentration of electrons in the superficial layers has been found to change. The layer thickness proves to be greater for the O face. We have hypothesized that the phenomena observed are caused by the difference in the chemical interaction of the Zn and O faces with the polishing agents.

оксид цинкалазерные мишениповерхностьрешеткаzinc oxidelaser targetssurfacelatticeРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания (фундаментальные исследования, проект № 0718-2020-0031) и на оборудовании ЦКП «Материаловедение и металлургия» при финансовой поддержке РФ в лице Минобрнауки (№ 075-15-2021-696).The work was carried out with financial support from the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within State Assignment (Fundamental Research Project No. 0718-2020-0031) on the equipment of the Joint Use Center for Materials Science and Metallurgy and with State financial support from the Ministry of Science and Higher Education, Grant No. 075-15-2021-696.ReferencesMinami T. Transparent conducting oxide semiconductors for transparent electrodes. Semiconductor Science and Technology. 2005; 20(4): S35. https://doi.org/10.1088/0268-1242/20/4/004Minami T. Transparent conducting oxide semiconductors for transparent electrodes. Semiconductor Science and Technology. 2005; 20(4): S35. https://doi.org/10.1088/0268-1242/20/4/004Bhosle V., Prater J.T., Yang F., Burk D., Forrest S.R., Narayan J. Gallium-doped zinc oxide films as transparent electrodes for organic solar cell applications. Journal of Applied Physics. 2007; 102(2): 023501—023501-5. https://doi.org/10.1063/1.2750410Bhosle V., Prater J.T., Yang F., Burk D., Forrest S.R., Narayan J. Gallium-doped zinc oxide films as transparent electrodes for organic solar cell applications. Journal of Applied Physics. 2007; 102(2): 023501—023501-5. https://doi.org/10.1063/1.2750410Owen J., Son M.S., Yoo K.-H., Ahn B.D., Lee S.Y. Organic photovoltaic devices with Ga-doped ZnO electrode. Applied Physics Letters. 2007; 90(3): 033512. https://doi.org/10.1063/1.2432951Owen J., Son M.S., Yoo K.-H., Ahn B.D., Lee S.Y. Organic photovoltaic devices with Ga-doped ZnO electrode. Applied Physics Letters. 2007; 90(3): 033512. https://doi.org/10.1063/1.2432951Kim Y.H., Kim J.S., Kim W.M., Seong T.-Y., Lee J., Müller-Meskamp L., Leo K. Realizing the potential of ZnO with alternative non-metallic co-dopants as electrode materials for small molecule optoelectronic devices. Advanced Functional Materials. 2013; 23(29): 3645—3652. https://doi.org/10.1002/adfm.201202799Kim Y.H., Kim J.S., Kim W.M., Seong T.-Y., Lee J., Müller-Meskamp L., Leo K. Realizing the potential of ZnO with alternative non-metallic co-dopants as electrode materials for small molecule optoelectronic devices. Advanced Functional Materials. 2013; 23(29): 3645—3652. https://doi.org/10.1002/adfm.201202799Фарафонов С.Б. Химико-механическое полирование монокристаллов ZnO, NiSb, Cu и цилиндрических подложек Si: Дисс. ... канд. техн. наук. М.: НИТУ «МИСиС»; 2011. 213 с.Farafonov S.B. Chemical-mechanical polishing of ZnO, NiSb, Cu single crystals and cylindrical Si substrates. Diss. Cand. Sci. (Eng.). Moscow: NUST MISiS; 2011. 213 p. (In Russ.)Кузьмина И.П., Никитенко В.А. Окись цинка. Получение и оптические свойства. М.: Наука; 1984. 166 с.Kuzmina I.P., Nikitenko V.A. Zinc oxide. Preparation and optical properties. Moscow: Nauka; 1984. 166 p. (In Russ.)Артёмов A.C., Горбатенко Л.С., Новодворский O.A., Соколов В.И., Фарафонов С.Б., Храмова О.Д. Подготовка подложек ZnO и а-Al2O3 для создания УФ лазеров. Нанотехника. 2007; 4(12): 46—50.Artemov A.S., Gorbatenko L.S., Novodvorsky O.A., Sokolov V.I., Farafonov S.B., Khramova O.D. Preparation of ZnO and a-Al2O3 substrates for creating UV lasers. Nanotechnology. 2007; 4(12): 46—50. (In Russ.)Shcherbachev K.D., Bublik V.T., Mordkovich V.N., Pazhin D.M. The influence of photoexcitation in situ on a generation of defect structure during ion implantation into Si substrates. Journal of Physics D: Applied Physics. 2005; 38(10А): A126. https://doi.org/10.1088/0022-3727/38/10a/024Shcherbachev K.D., Bublik V.T., Mordkovich V.N., Pazhin D.M. The influence of photoexcitation in situ on a generation of defect structure during ion implantation into Si substrates. Journal of Physics D: Applied Physics. 2005; 38(10А): A126. https://doi.org/10.1088/0022-3727/38/10a/024Shalimov A., Shcherbachev K.D., Bak-Misiuk J., Misiuk A. Defect structure of silicon crystals implanted with H2+ ions. Physica Status Solidi A: Applications and Materials. 2007; 204(8): 2638—2644. https://doi.org/10.1002/pssa.200675697Shalimov A., Shcherbachev K.D., Bak-Misiuk J., Misiuk A. Defect structure of silicon crystals implanted with H2+ ions. Physica Status Solidi A: Applications and Materials. 2007; 204(8): 2638—2644. https://doi.org/10.1002/pssa.200675697Bowen D.K., Tanner B.K. X-ray metrology in semiconductor manufacturing. Boca Raton: CRC Press; 2006. 279p. https://doi.org/10.1201/9781315222035Bowen D.K., Tanner B.K. X-ray metrology in semiconductor manufacturing. Boca Raton: CRC Press; 2006. 279 p. https://doi.org/10.1201/9781315222035Holy V., Baumbach T. Non-specular X-ray reflection from rough multilayers. Physical Review B. 1994; 49(15): 10668—10676. https://doi.org/10.1103/physrevb.49.10668Holy V., Baumbach T. Non-specular X-ray reflection from rough multilayers. Physical Review B. 1994; 49(15): 10668—10676. https://doi.org/10.1103/physrevb.49.10668ISO 16413:2020. Evaluation of thickness, density and interface width of thin films by X-ray reflectometry – Instrumental requirements, alignment and positioning, data collection, data analysis and reporting. Publ. 08.2020. https://www.iso.org/standard/76403.htmlISO 16413:2020. Evaluation of thickness, density and interface width of thin films by X-ray reflectometry – Instrumental requirements, alignment and positioning, data collection, data analysis and reporting. Publ. 08.2020. https://www.iso.org/standard/76403.htmlCroce R., Nevot L. Étude des couches minces et des surfaces par réflexion rasante, spéculaire ou diffuse, de rayons X. Revue de Physique Appliquée (Paris). 1976; 11(1): 113—125. https://doi.org/10.1051/rphysap:01976001101011300Croce R., Névot L. Étude des couches minces et des surfaces par réflexion rasante, spéculaire ou diffuse, de rayons X. Revue de Physique Appliquée (Paris). 1976; 11(1): 113—125. https://doi.org/10.1051/rphysap:01976001101011300Artioukov I.A., Asadchikov V.E., Kozhevnikov I.V. Effects of a near-surface transition layer on X-ray reflection and scattering. Journal of X-Ray Science and Technology. 1996; 6(3): 223—243. https://doi.org/10.3233/xst-1996-6301Artioukov I.A., Asadchikov V.E., Kozhevnikov I.V. Effects of a near-surface transition layer on X-ray reflection and scattering. Journal of X-Ray Science and Technology. 1996; 6(3): 223—243. https://doi.org/10.3233/xst-1996-6301Croce R., Nevot L., Pardo B. Contribution a l’étude des couches minces par réflexion spéculaire de rayons X. Nouvelle Revue d Optique Appliquée. 1972; 3(1): 37—50. https://doi.org/10.1088/0029-4780/3/1/307Croce R., Névot L., Pardo B. Contribution a l’étude des couches minces par réflexion spéculaire de rayons X. Nouvelle Revue d’Optique Appliquée. 1972; 3(1): 37—50. https://doi.org/10.1088/0029-4780/3/1/307Underwood J.H., Barbee T.W. Layered synthetic microstructures as Bragg diffractors for X-rays and extreme ultraviolet: theory and predicted performance. Applied Optics.1981; 20(17): 3027—3034. https://doi.org/10.1364/ao.20.003027Underwood J.H., Barbee T.W. Layered synthetic microstructures as Bragg diffractors for X-rays and extreme ultraviolet: theory and predicted performance. Applied Optics.1981; 20(17): 3027—3034. https://doi.org/10.1364/ao.20.003027Benediktovitch A., Feranchuk I., Ulyanenkov A. Theoretical concepts of X-ray nanoscale analysis. Theory and applications. Springer; 2014. 318 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-38177-5Benediktovitch A., Feranchuk I., Ulyanenkov A. Theoretical concepts of X-ray nanoscale analysis. Theory and applications. Springer; 2014. 318 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-38177-5Stoev K., Sakurai K. Recent theoretical models in grazing incidence X-ray reflectometry. The Rigaku Journal. 1997; 14(2): 22—37.Stoev K., Sakurai K. Recent theoretical models in grazing incidence X-ray reflectometry. The Rigaku Journal. 1997; 14(2): 22—37.Press W.H., Teukolsky S.A., Vetterling W.T., Flannery B.P. Numerical Recipes in C. NY: Cambridge University Press; 1996. 994p.Press W.H., Teukolsky S.A., Vetterling W.T., Flannery B.P. Numerical Recipes in C. NY: Cambridge University Press; 1996. 994 p.Афанасьев A.M., Чуев М.А., Имамов P.M., Ломов А.A., Мокеров В.Г., Федоров Ю.В., Гук А.В. Исследование многослойных структур на основе слоев GaAs-InxGa1-xAs/GaAs методом двухкристальной рентгеновской дифрактометрии. Кристаллография. 1997; 42(3): 514—523.Afanas’ev A.M., Chuev M.A., Imamov R.M., Lomov A.A., Mokerov V.G., Federov Yu.V., Guk A.V. Study of multilayer GaAs-InxGa1-xAs/GaAs layer-based structure by double-crystal X-ray diffractometry. Crystallography Reports. 1997; 42(3): 467—476.Wormington M., Panaccione C., Matney K.M., Bowen D.K. Characterization of structures from X-ray scattering data using genetic algorithms. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1999; 357: 2827. https://doi.org/10.1098/rsta.1999.0469Wormington M., Panaccione C., Matney K.M., Bowen D.K. Characterization of structures from X-ray scattering data using genetic algorithms. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1999; 357: 2827. https://doi.org/10.1098/rsta.1999.0469Афанасьев А.М., Александров П.А., Имамов Р.М. Рентгенодифракционная диагностика субмикронных слоев. М.: Наука; 1989. 152 с.Afanasyev A.M., Alexandrov P.A., Imamov R.M. X-ray diffraction diagnostics of submicron layers. Moscow: Nauka; 1989. 152 p. (In Russ.)

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