научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ РОСТА ТОНКИХ ПЛЕНОК АМОРФНОГО КРЕМНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ РОСТА ТОНКИХ ПЛЕНОК АМОРФНОГО КРЕМНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ»

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.

Показать целиком