Исследование процесса осаждения тонких пленок аморфного кремния

ФИЗИКА

Вестн. Ом. ун-та. 2012. № 4. С. 46-48.

УДК 533.9.082.5

Б.Т. Байсова, А.С. Демин, А.А. Пушкарев, В.И. Струнин, Г.Ж. Худайбергенов

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОСАЖДЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК АМОРФНОГО КРЕМНИЯ

С помощью спектрального анализа исследована интенсивность оптического перехода радикала SiH в зависимости от давления и удельной мощности высокочастотного тлеющего разряда. Описаны процессы, влияющие на интенсивность перехода, сделаны выводы об оптимальном давлении аргон-силановой смеси для осаждения тонких пленок. Исследованы зависимости заселенности метастабильных состояний атомов аргона в плазме высокочастотного тлеющего разряда в зависимости от расхода газа (14^30 станд. см3/мин) в атмосфере чистого аргона и смеси аргон-силан (95 % Аг + 5 % SiH4), а также зависимость заселенности метастабильных состояний атомов аргона в плазме высокочастотного тлеющего разряда в зависимости от содержания силана (0,5^5 %) в аргон-силановой смеси.

Ключевые слова: аргон-силановая плазма, тлеющий разряд, метастабильные состояния аргона, заселенность состояний, высокочастотный разряд, осаждение тонких пленок, тонкие пленки аморфного кремния.

Введение

Повышение интереса к проблеме исследования электрических разрядов в разреженной атмосфере химически активных газов определяется тем, что они используются для плазмохимического синтеза различных материалов, широко применяющихся в современной технике [1]. Увеличение концентрации силановых радикалов в плазме важно для осаждения тонких кремниевых пленок, используемых в промышленности, в частности, для создания солнечных элементов методом плазмохимического осаждения. Определяющую роль в этих процессах играют метастабильные состояния атомов и молекул. Связано это прежде всего с тем, что энергия таких состояний достаточна для снижения энергетического порога реакции и повышения эффективности протекания плазмохимических процессов.

При моделировании плазмохимических процессов с целью оптимизации технологических режимов и получения материалов с заданными свойствами необходима информация о заселенности метастабильных состояний атомов и молекул. Целью данной работы являлось исследование зависимости заселенностей метастабильных состояний атомов аргона и концентрации силановых радикалов от условий возбуждения высокочастотного тлеющего разряда. Среди задач было исследование зависимости заселенностей от расхода газа (14^30 станд. см3/мин) в атмосфере чистого аргона и в смеси аргон-силан (95 % Лг + 5 % 8Ш4) и от содержания силана (0,5^5 %) в смеси, а также изучение изменения интенсивности оптического излучения силанового радикала 8Ш* при длине волны 414,2 нм при изменении давления аргон-силановой смеси. Проведено сравнение интенсивности излучения при различных мощностях высокочастотного разряда в аргон-силановой плазме [2].

Экспериментальная часть

Высокочастотный тлеющий разряд возбуждался между двумя металлическими электродами в цилиндрической ионизационной вакуумной камере высотой 40 см и диаметром 67 см, выполненной на основе стан* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., соглашение о предоставлении гранта в форме субсидии № 14.В37.21.0771 от 24 августа 2012 г.

© Б.Т. Байсова, А.С. Демин, А.А. Пушкарев, В.И. Струнин, Г.Ж. Худайбергенов, 2012

Исследование процесса осаждения тонких пленок аморфного кремния

47

дартной промышленной установки ННВ-6.1 для вакуумно-дугового осаждения. Подача аргон-силановой смеси осуществлялась через устройство формирования потоков газовых смесей УФПГС-4.

Перед началом работы камеру с помощью форвакуумных и диффузионного насосов откачивали до давления 10-5 мм рт. ст. Разряд возбуждался ВЧ-генератором ЛОО-6Ъ с колебательной мощностью 30 Вт на частоте 13,56 МГц. Мощность от генератора подавалась через систему согласования на разрядную камеру, где после установления рабочего давления инициировался тлеющий разряд.

Регистрация спектров излучения разряда аргон-силановой плазмы проводилась с использованием спектрографа ИСП-30. Излучение плазмы разряда направлялось на щель спектрографа шириной 22 мкм с последующей регистрацией спектров с помощью фотоэлектрического анализатора ФЭП-454. Система позволяла регистрировать спектр излучения в диапазоне длин волн 200-600 нм. Компьютерная обработка спектров осуществлялась с помощью ПО «Спектр». Время экспозиции разряда было выбрано экспериментально и составило 5 мин. В качестве эталонного источника использовалась лампа СИ-8-200.

Были проведены измерения интенсивности спектральных линий 414,2 нм (линия силанового радикала), содержание 8Ш* (Л2А - Х2П) ранее исследовалось по данной линии [2; 3], и по 420 нм (линия излучательного перехода 3р55р 3р54в, при котором про-

исходит распад на метастабильные состояния метастабильного состояния аргона Лг*

[4]) и при удельных мощностях высокочастотного разряда 102,3, 66 и 33 мВт/см2.

При проведении эксперимента в спектре разряда были выявлены 5 линий, соответствующих процессам излучательных переходов (3р55р^3р54в), при которых происходит переход атомов аргона в метаста-бильные состояния. Заселенность N уровней конфигурации 3р55р определялась по регистрируемым интенсивностям спектральных линий аргона (длины волн 394,75 нм, 415,86 нм, 418,18 нм, 419,10 нм, 420,07 нм [5]).

Результаты и обсуждения

Заселенность метастабильных состояний атомов аргона уменьшается с ростом содержания силана в газовой смеси (рис. 1). Это указывает на эффективность протекания реакций разложения молекул силана:

Аг(3р545 3Р0,2 )+ &Н4 ^ Аг + 81Н3 + Н , Аг(3 р5 45 3Р0,2)+Ш4 ^ Аг + Ш2 + 2Н .

Абсолютные заселенности метастабиль-ных состояний атомов аргона увеличиваются с ростом расхода газа (рис. 2, концентрация силана 5 %), поскольку происходит увеличение концентрации атомов аргона в основном состоянии и в конфигурации

3р55р. Основными каналами заселения ме-тастабильных состояний атомов аргона являются прямой электронный удар и радиационный переход с уровней конфигурации 3р55р.

Рис. 1. Относительная заселенность метастабильных состояний аргона 3Р2 и 3Ро при различных концентрациях силана

Рис. 2. Зависимость заселенности метастабильных состояний аргона от расхода газа:

а - относительная заселенность состояния, 3Р2; б - абсолютная, 3Р2; в — относительная, 3Ро; г - абсолютная, 3Ро

Относительные же заселенности мета-стабильных состояний атомов аргона уменьшаются с ростом расхода газа, так как увеличивается частота столкновений метастабильных атомов аргона с атомами аргона в основном состоянии. Эти столкновения являются одним из каналов девозбуждения метастабильных состояний:

Аг (3 р545 3Р0,2 ) + Аг (3 р6 1Б0 )^

^ 2Аг (3р6 '50) + Иу .

Из сравнения графиков, представленных на рис. 2, можно оценить оптимальный расход газа для нанесения пленок аморфного гидрогенизированного кремния. Он составляет 20^26 станд. см3/мин.

Проведен спектральный анализ аргон-силановой плазмы при давлениях от 180 до 300 мТорр и удельных мощностях разря-

48

Б. Т. Байсова, А. С. Демин, А.А. Пушкарев, В.И. Струнин, Г.Ж. Худайбергенов

да от 33 до 102,3 мВт/см2 (рис. 3). Из полученных данных можно видеть, что при давлении силана равном 220 мТорр наблюдается максимум концентрации радикалов при различных мощностях разряда.

Р. мТорр

Рис. 3. Зависимость относительной интенсивности спектральной линии 414,2 нм от давления при различных мощностях разряда:

7 - 102,3 мВт/см2, 2 - 66 мВт/см2, 3 - 33 мВт/см2

Появление данного максимума связано, по всей видимости, с установлением равновесия между двумя конкурирующими процессами. С повышением давления уменьшается концентрация метастабильного состояния Ar*. Это связано с эффективной гибелью Ar* на молекулах SiH4 и на нейтральных атомах аргона. При давлении близком к 220 мТорр наблюдается максимум интенсивности SiH*, значит, следует ожидать увеличение скорости роста пленки аморфного кремния.

Выводы

Проведен расчет абсолютных заселенностей метастабильных состояний атомов аргона в плазме высокочастотного тлеющего разряда. Получен диапазон значений для заселенности метастабильных состояний атомов аргона в атмосфере чистого аргона (2,52-10п^б,12-10п см-3) и в атмосфере смеси аргон-силан (2,93-108^13,87-108 см-3).

Исследована зависимость абсолютных и относительных заселенностей метастабиль-ных состояний атомов аргона от расхода газа и от содержания силана в газовой смеси. Установлено, что абсолютные заселенности метастабильных состояний атомов аргона увеличиваются с ростом расхода газа и

снижаются с ростом содержания силана в газовой смеси. Относительные заселенности метастабильных состояний атомов аргона с ростом расхода газа и содержания силана в газовой смеси уменьшаются. Снижение абсолютных заселенностей метастабильных состояний атомов аргона с ростом содержания силана в газовой смеси указывает на наличие канала разложения молекул силана атомами аргона в метастабильных состояниях.

Установлено, что расход газа, оптимальный для осаждения пленок аморфного гидрогенизированного кремния при постоянной мощности 30 Вт и содержании сила-на в газовой смеси 5 %, должен варьироваться в пределах 22^2б станд. см3/мин.

В результате проведенных исследований можно сделать вывод о том, что более эффективное осаждение пленок аморфного кремния следует проводить при давлении смеси аргон-силан равном 200-220 мТорр.

При повышении давления на концентрацию пленкообразующих компонентов будут влиять два конкурирующих процесса: эффективное девозбуждение метастабильно-го состояния Ar* на молекулах силана и снижение концентрации SiH* относительно поступающего SiH4, вследствие «обеднения» высокоэнергетической части функции распределения электронов. Дальнейшее увеличение давления приведет к увеличению числа реакций силановых радикалов с SiH4, что увеличит вероятность образования высокомолекулярных соединений силана, а это плохо скажется на качестве растущей пленки.

Полученные результаты могут быть использованы с целью выбора оптимальных условий для осаждения пленок аморфного гидрогенизированного кремния.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Flewitt A. J., Robertson J., Milne W. // Appl. Phys. 1997. Vol. 85. Р. 8032-8039.

[2] Budaguan B. G., Popov A. A. et al. // J. Non-Cryst. Sol. 1998. Vol. 227-230. Р. 39-42

[3] Ray P. P., Dutta Gupta N. et al. // Jpn. J. Appl. Phys. 2002. Vol. 42. Р. 3955-3960.

[4] Байсова Б. Т., Струнин В. И. и др. // Журнал прикладной спектроскопии. 2008. Т. 25. № 5. С. 733-736.

[5] Касабов Г. А, Елисеев В. В. Спектроскопические таблицы для низкотемпературной плазмы: справочник. М. : Атомиздат, 1973. 160 с.