Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Величко Р.В. 1 Гусев Е.Ю. 1 Гамалеев В.А. 1 Михно А.С. 1 Бычкова А.С. 2

---

1 ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», Ростов-на-Дону

2 ФГУН «Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов имени И.В. Гребенщикова РАН, Санк-Петербург

Представлены результаты экспериментальных исследований режимов плазмохимического осаждения пленок кремния. Выявлен ряд параметров, влияющих на фазу, значение размера кристаллов и среднеквадратическое значение шероховатости полученных пленок. Установлены режимы, обеспечивающие получение пленок нано- и поликристаллического кремния с размером кристаллов 40–100 и 100–250 нм и среднеквадратическим значением шероховатости 1,4–3,5 и 1,1–2,6 нм соответственно. Методами дифракции быстрых электронов на отражение и эллипсометрии установлено, что с увеличением температуры структура полученных пленок претерпевает переход от аморфной фазы к нанокристаллической при температуре около 540 °С и поликристаллической при 610 °С. Микроскопические исследования показали, что размер кристаллов и СКЗ шероховатости поверхности увеличивается с температурой и давлением в камере. Отмечается наличие максимума на температурной зависимости СКЗ шероховатости при 600 °С. Влияние мощности разряда на размер кристаллов было незначительным и требует дальнейшего уточнения.

Статья в формате PDF

472 KB

нанотехнологии

плазмохимическое осаждение

нанокристаллический кремний

поликристаллический кремний

1. Получениe наноразмерных структур на основе нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 / О.А. Агеев, А.С. Коломийцев, А.В. Михайличенко, В.А. Смирнов, В.В. Пташник, М.С. Солодовник, А.А. Федотов, Е.Г. Замбург, В.С. Климин, О.И. Ильин, А.Л. Громов, А.В. Рукомойкин // Известия Южного федерального университета. Технические науки. – 2011. – Т. 114. – № 1. – С. 109–116.

2. Величко Р.В., Гамалеев В.А., Михно А.С. Исследование режимов получения пленок поликристаллического кремния методом плазмохимического осаждения для создания устройств микро- и наноэлектроники // ЮНЦ РАН: тезисы докладов VIII ежегод. науч. конф. студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Ростов-на-Дону, 11–26 апр., 2012). – Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2012. – С. 178–179.

3. Коноплев Б.Г., Агеев О.А. Элионные и зондовые нанотехнологии для микро- и наносистемной техники // Известия Южного федерального университета. Технические науки. – 2008. – Т. 89. – № 12(89). – С. 165–175.

4. B. El-Kareh. Fundamentals of semiconductor processing technology. – Boston: Springer, 1995. – 599 p.

5. French P.J. Polysilicon: a versatile material for Microsystems // Sensors and actuators. – A: Physical, 2002. – Vol. 99. – P. 3–12.

6. Takahashi K., Yoshikawa A., Sandhu A. Wide bandgap semiconductors: fundamental properties and modern photonic and electronic devices. – Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 2007. – 460 p.

Нано- и поликристаллический кремний широко применяется при изготовлении современных устройств микро- и наносенсорики, микро- и наносистемной техники, солнечной энергетики, специализированных интегральных схем в качестве жертвенных, технологических и пьезорезистивных слоев в микроэлектромеханических системах, в виде тонких пленок при создании солнечных элементов [4–6]. Обширная область применения обуславливает необходимость тщательного контроля электрических и физических свойств пленок нано- и поликристаллического кремния, которые в значительной степени зависят от структуры, типа и размера зерен, что определяется технологией их получения [1]. Высокая чувствительность свойств нано- и поликристаллического кремния к изменению технологических параметров, с одной стороны, позволяет в широких пределах варьировать свойства материала, а с другой - затрудняет получение материала с воспроизводимыми свойствами [4, 5].

В данной работе для получения пленок использован метод плазмохимического осаждения из газовой фазы (ПХО). Использование газоразрядной плазмы для разложения реакционного газа на активные радикалы дает возможность управлять процессами разложения в разряде и позволяет проводить ПХО пленок при температурах менее 700 С и высоких скоростях около 2 нм/с, чем в аналогичных процессах химического осаждения из газовой фазы с термическим разложением реакционного газа (0,8 нм/с) [4]. При этом низкая термическая чувствительность скорости ПХО обеспечивает высокую (±5 %) однородность свойств получаемых пленок. Получение обозначенных фаз кремния с воспроизводимыми свойствами методом ПХО требует установления ключевых технологических параметров и тонкого управления ими в процессе осаждения.

Целью данной работы является получение нано- и поликристаллической фаз пленок кремния методом плазмохимического осаждения.

Материалы и методы исследования

Плазмохимическое осаждение кремния проводили на установке PlasmaLab 100 Oxford Instruments. В качестве подложек использовали окисленный кремний площадью 1×1 см2. Реакция восстановления моносилана (SiH4) в среде аргона (Ar) протекала следующим образом: SiH₄ → SiH₂ + H₂↑,SiH₂ → Si + H₂↑. Исследовали следующие диапазоны параметров осаждения: мощность от 20 до 40 Вт, давление в камере от 1 до 2 мм рт. ст., температура от 500 до 700 °С; поток смеси газов при этом поддерживали постоянным на уровне 500 см3/мин (Ar:SiH₄ 9:1) [2]. Рассчитанная по данным РЭМ скорость осаждения составила 1,3–1,9 нм/с.

Определение структуры проводили методом дифракции быстрых электронов (ДОБЭ). Для исследования морфологии поверхности и толщины осажденных пленок использовали зондовую нанолабораторию NTEGRA Vita, растровый электронный микроскоп c ионной колонной Nova Nanolab 600 [6]. Показатель преломления определяли эллипсометрически на ЛЭФ-3М (при 632,8 нм). Статистическую обработку полученных АСМ-изображений производили с использованием программного пакета Image Analysis 3.5.

Результаты исследования и их обсуждение

С целью установления влияния режимов получения пленок на их морфологию и структуру изготовлена серия образцов.

Установлено, что с увеличением температуры структура полученных пленок претерпевает переход от аморфной фазы к нанокристаллической при температуре около 540 °С и поликристаллической при 610 °С, что коррелирует с соответствующими температурами, приведенными в [1, 3]. Наличие указанных фаз полученных пленок в соответствующих областях подтверждается данными дифрактометрии (рис. 1) и эллипсометрии. Значения показателя преломления составили от 3,5 до 4,0 для нанокристаллической фазы, от 4,0 до 4,5 для поликристаллической и от 4,5 до 5,5 для аморфной.

а

б

в

Рис. 1. ДОБЭ-изображения осажденных пленок кремния: a – аморфная фаза; б – нанокристаллическая фаза; в – поликристаллическая фаза

Микроскопические исследования показали, что полученные пленки однородны, при этом значения диаметра кристаллов лежат в диапазоне 40–250 нм. В зависимости от режимов меняется форма кристаллов (рис. 2). Сравнительным анализом данных микроскопии и дифрактометрии установлено, что размер кристаллов и СКЗ шероховатости поликристаллических пленок составили 100–250 и 1,1–2,6 нм, с соответствующими значениями для нанокристаллических пленок: 40–100 и 1,4–3,5 нм.

 

а                 б

Рис. 2. АСМ-изображения осажденных пленок кремния при 40 Вт, 1 мм рт. ст.:а – нанокристаллическая фаза при 550 °С; б – поликристаллическая фаза при 700 °С

Выявлено, что с повышением общего давления в камере и мощности разряда увеличиваются размер кристаллов и СКЗ шероховатости поверхности пленок, что подтверждается данными [4–6]. Подобное влияние на размер оказывает и температура. При этом на температурной зависимости СКЗ шероховатости отмечается наличие максимума около 600 С.

Так, на пленках, полученных при 40 Вт, 1 мм рт.ст., с ростом температуры от 500 до 700 °С наблюдалось изменение размера кристаллов от 40 до 118 нм. Отмеченный характер температурной зависимости СКЗ шероховатости можно объяснить переходом от нано- к поликристаллической фазе.

При увеличении общего давления от 1 до 2 мм рт. ст. диаметр кристаллов возрастал на 6–8 %, а СКЗ шероховатости на 75–80 %; при повышении мощности с 10 до 30 Вт – в 2,3 раза. Установлено, что при увеличении мощности разряда СКЗ шероховатости возрастает с 1,12 до 2,57 нм. Влияние мощности разряда на размер кристаллов незначительно и требует дальнейшего уточнения.

Заключение

В работе получены однородные пленки нано- и поликристаллического кремния методом плазмохимического осаждения из газовой фазы. Показано, что морфология, структура и оптические свойства таких пленок определяются режимами получения. Установлены режимы, обеспечивающие получение пленок нано- и поликристаллического кремния с размером кристаллов 40–100 и 100–250 нм и СКЗ шероховатости 1,4–3,5 и 1,1–2,6 нм соответственно.

Результаты исследования могут быть использованы при разработке технологии создания чувствительных элементов сенсорики и микроэлектромеханики, оптоэлектроники и солнечной энергетики.

Работа выполнена при поддержке государственными соглашениями № 12-08-90045/12, № 14.А18.21.0126, № 14.A18.21.0923, № 14.A18.21.0933, № 14.A18.21.0900, № 14.A18.21.0887, № 14.A18.21.1206 в рамках проектов РФФИ и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Библиографическая ссылка