ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 6, с. 31-34
УДК 539.234
ОСОБЕННОСТИ РОСТА ТОНКИХ ПЛЕНОК АМОРФНОГО КРЕМНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ
© 2015 г. Д. М. Митин1, *, В. А. Александров1, 2, А. А. Скапцов1, С. Б. Вениг1, А. А. Сердобинцев1, 2
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, 410012 Саратов, Россия 2Саратовский филиал ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 410019 Саратов, Россия *Е-таИ: mitindm@mail.ru Поступила в редакцию 17.08.2014 г.
В работе исследованы некоторые особенности роста тонких пленок аморфного кремния, полученных методом магнетронного распыления на постоянном токе. В частности, изучено влияние давления рабочего газа на шероховатость поверхности и скорость роста пленок. Показано, что скорость роста уменьшается с увеличением давления газа в рабочей камере, а шероховатость поверхности пленок изменяется пропорционально давлению. Полученные экспериментальные данные могут оказаться полезными при совершенствовании процесса получения пленок с заданными функциональными характеристиками.
Ключевые слова: аморфный кремний, шероховатость поверхности, тонкие пленки, магнетронное распыление.
БО1: 10.7868/80207352815060177
ВВЕДЕНИЕ
Аморфный кремний (a-Si) широко применяется в устройствах электроники и оптоэлектрони-ки [1, 2], поэтому исследование возможности управления свойствами тонких пленок a-Si в процессе их получения является одной из актуальных задач [3, 4]. В данной работе рассматривается возможность модификации свойств пленок аморфного кремния посредством изменения давления в рабочей камере. Толщина, шероховатость и рельеф поверхности пленок, исследуемые в данной работе, могут в значительной степени определять механизм проводимости [5] и, как следствие, удельное сопротивление [6].
Для синтеза пленок аморфного кремния был использован метод магнетронного распыления на постоянном токе. Распыление материала происходило за счет бомбардировки поверхности мишени ионами рабочего газа (аргона), образующимися в плазме тлеющего разряда. Выбор данного метода обусловлен прежде всего высокой скоростью распыления материала мишени [7], управляемостью процесса и хорошей адгезией пленки к поверхности подложки [8].
Границы существования тлеющего разряда определяются переходом в темновой при низких давлениях и в дуговой разряд при высоких давле-
ниях [9]. В работе [10] установлено, что свойства получаемых пленок находятся в прямой зависимости от длины свободного пробега частиц плазмы в распылительной камере и, следовательно, от давления рабочего газа в процессе синтеза. Наиболее значительные изменения свойств обнаружены при критически низких давлениях рабочего газа. Таким образом, актуальным представляется синтез и изучение свойств пленок кремния, полученных на границе зажигания тлеющего разряда.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Пленки кремния были синтезированы методом магнетронного распыления на постоянном токе при следующих параметрах: ток разряда — 100 мА, время напыления — 15 мин, диапазон напряжений ^350—500 В; расстояние между мишенью и подложкой составляло 25 мм. Для получения пленок использовалась несбалансированная магнетронная распылительная система аксиального типа [11] с квазизамкнутым объемом. В качестве рабочего газа применялся аргон — традиционное решение для магнетронного распыления благодаря инертности, относительно большой атомной массе и дешевизне. Напыление проводилось на подложки из полированного ситалла. Варьируемым параметром было давление рабоче-
Скорость роста, нм/мин (а) 60 50 40 30 20
10
0
Число 4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6
24 атомов, х1017
6 8 10 Давление, 10-4 Topp
(б)
0
6 8 10 Давление, 10-4 Topp
Рис. 1. Зависимость скорости роста пленки (а) и числа распыленных атомов в секунду (б) от давления.
го газа, которое изменялось в пределах от 7 х 10-5 до 10-3 Торр. Выход за границы данного диапазона соответствует переходу в темновой разряд при уменьшении давления. Повышение давления приводит к переходу в традиционный для магне-тронных распылительных систем режим работы.
Первым этапом работы было исследование влияния давления рабочего газа на толщину пленок. Для определения толщины использовался профилометр Dektak 150 с диаметром закругления зонда 12.5 мкм (Veeco, USA). Для определения влияния давления рабочего газа на морфологию поверхности пленок кремния были проведены исследования на атомно-силовом микроскопе (АСМ), входящем в состав зондовой нанолаборатории NTEGRA Spectra (НТ-МДТ, Россия). Размер участка сканирования 40 х 40 мкм. АСМ-скани-рование производилось на различных участках поверхности пленки, результирующее значение шероховатости вычислялось как среднее значение для всех участков.
Кристаллическая структура выращенных пленок была исследована методом Дебая—Шеррера на рентгеновском дифрактометре Xcalibur Gemini A (Oxford Diffraction, UK), использовалась рентгеновская трубка с медным анодом.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты исследований кристаллической структуры пленок методом рентгеновской дифракции свидетельствуют о том, что выращенные пленки имеют аморфную структуру. Полученные данные о толщинах пленок были пересчитаны в
значения скорости роста с учетом ранее установленного авторами факта пропорциональности толщины пленки и времени напыления [12]. Результаты представлены в виде зависимости скорости роста пленки от давления (рис. 1а). На графике хорошо видно, как с увеличением давления газа в рабочей камере уменьшается скорость роста пленки. Это происходит, на наш взгляд, из-за того, что увеличение давления газа вызывает уменьшение напряжения между анодом и катодом магнетрона [11] и, как следствие, уменьшение энергии бомбардирующих ионов. Таким образом, с увеличением давления уменьшается коэффициент распыления материала мишени за счет снижения энергии бомбардирующих ионов. Этот факт подтверждается расчетной зависимостью числа распыленных в единицу времени атомов мишени от давления (рис. 1б). Чтобы учесть влияние давления рабочего газа в камере на количество и среднюю энергию распыленных атомов, используем выражение, вытекающее из определения коэффициента распыления [13]:
= ^р^риШ
где — — количество распыленных атомов мишени в секунду, -р — количество первичных ионов, осуществляющих распыление, ^8ри11 — коэффициент распыления, зависящий, в частности, от энергии первичных ионов. Для определения -р воспользуемся тем, что в процессе токопереноса в прика-тодной области магнетронного разряда участвовали только ионы [14], а ток в процессе распыления поддерживался стабильным и составлял 100 мА. Исходя из вышесказанного, количество первичных ионов может быть определено следующим образом:
-р = //?,
где I — ток разряда в магнетронной системе, q — заряд электрона.
Результаты расчета представлены на рис. 1б. Сопоставляя эту зависимость с экспериментальной зависимостью толщины пленок от давления синтеза (рис. 1а), можно сделать вывод о хорошей корреляции расчетных и экспериментальных данных. Таким образом, показано, что варьирование скорости роста пленок за счет изменения энергии бомбардирующих мишень ионов играет значительную роль при синтезе в условиях критически низких давлений.
На основе результатов АСМ-исследований было обнаружено, что шероховатость поверхности пленок изменяется пропорционально давлению (рис. 2а). Установлено, что при низких давлениях пленка получается менее шероховатой и, вероятно, более плотной [15]. Такую закономерность можно объяснить большей длиной свободного пробега частиц в потоке осаждения при меньших давлениях и, как следствие, большей их
2
4
ОСОБЕННОСТИ РОСТА ТОНКИХ ПЛЕНОК АМОРФНОГО КРЕМНИЯ
33
g В
о
S
о
о «
«
св m о ft
m
S
12 10 -8 6 4 2
6 8 10 Давление, 10-4 Topp
(б)
6 8 10 Давление, 10-4 Topp
Рис. 2. Зависимость шероховатости (а) и изрезанно-сти (б) поверхности аморфной пленки 81 от давления.
энергией. При низких давлениях длина свободного пробега атомов кремния превышает расстояние мишень—подложка, что позволяет атомам преодолевать это расстояние без соударений с ионами рабочего газа. При увеличении давления газа и, соответственно, концентрации ионов аргона, происходит уменьшение длины свободного пробега атомов кремния. Мы полагаем, что именно данный фактор в значительной степени определяет более резкую зависимость свойств пленок при низких давлениях и существование некого критического давления, выше которого свойства пленок изменяются в незначительной степени. Используя методику расчета длины свободного пробега [16], было установлено, что при давлении 4 х 10-4 Торр длина свободного пробега распыленных атомов кремния в плазме тлеющего разряда составляет 27 мм. Это значение практически совпадает с расстоянием между мишенью и подложкой.
Основываясь на вышесказанном, можно выделить два режима работы магнетронной распылительной системы: пролетный и диффузионный. Для пролетного режима характерно превышение длины свободного пробега над расстоянием мишень—подложка. Диффузионный режим имеет место тогда, когда длина свободного пробега меньше расстояния мишень—подложка. Следовательно, в пролетном режиме энергия осаждающихся на подложку атомов больше, чем в диффузионном, причем ее зависимость от давления в этом режиме носит более резкий характер. Очевидно, что на границе зажигания тлеющего раз-
ряда (при критически низком давлении) энергия осаждающихся атомов максимальна.
Для качественной характеризации морфологии пленок авторами была использована такая величина, как изрезанность [17]. Она равна отношению шероховатости к толщине пленки и показывает, насколько соизмерима шероховатость пленки с ее толщиной, иными словами, является характеристикой, отражающей степень проникновения дефектов (пустот) в глубину пленки. Чем меньше изрезанность, тем более плотной, качественной является пленка. Полученные экспериментальные данные показали, что пленки, синтезируемые при низких давлениях, обладают меньшей изрезанностью (рис. 2б).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проведенных исследований установлено, что изменение давления рабочего газа способствует изменению параме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.