Скорость роста пленок аморфного кремния в зависимости от приложенной мощности

ФИЗИКА

Вестн. Ом. ун-та. 2015. № 3. С. 25-28.

УДК 533.9.082.5

В.И. Струнин, А.С. Демин, Г.Ж. Худайбергенов

СКОРОСТЬ РОСТА ПЛЕНОК АМОРФНОГО КРЕМНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПРИЛОЖЕННОЙ МОЩНОСТИ*

С помощью спектрального анализа исследована интенсивность оптического перехода радикала SiH* и метастабильного состояния аргона Ar* в зависимости от мощности высокочастотного тлеющего разряда в смеси аргон-силан (95 % Ar + 5 % SiH4), измерены толщины получаемых тонких кремниевых пленок. Описаны процессы, влияющие на интенсивность переходов. Исследованы интенсивности излучений SiH* и Ar* при мощностях тлеющего разряда от 15 до 50 Вт.

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 химически активных газов в разреженной атмосфере 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.

Целью данной работы являлось исследование зависимости скорости роста тонких пленок аморфного кремния от мощности разряда. Среди задач было исследование изменения интенсивности оптического излучения силанового радикала SiH* при длине волны 414,2 нм и метастабильного состояния аргона Ar* при длине волны 420 нм при значениях мощности, вкладываемой в разряд, от 15 до 50 Вт. Кроме того, было проведено измерение толщин полученных пленок аморфного кремния.

Экспериментальная часть

Высокочастотный тлеющий разряд возбуждался между двумя металлическими электродами в цилиндрической вакуумной камере высотой 40 см и диаметром 67 см, выполненной на основе стандартной промышленной установки ННВ-6.1 для вакуумно-дугового осаждения. Подача аргонсилановой 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 высокочастотным генератором ACG-6b с колебательной мощностью 600 Вт на частоте 13,56 МГц. Мощность от генератора подавалась через систему согласования на плазмотрон высотой 3 см и диаметром 7 см, где после установления рабочего давления инициировался тлеющий разряд. На расстоянии 3 см над плазмотроном располагалась подложка-держатель. Стеклянные пластины, на которые производилось осаждение тонких пленок, нагревались до температуры 270 °C.

Расход смеси газов SH4 (5%) и Ar (95%) составлял 60 ст. см3/мин. Давление в камере устанавливалось около 70 мТорр. Осаждение производилось в течение 18 мин.

* Работа проводилась при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, договор НК-13-02-98033/13 от 08.07.2013.

© В.И. Струнин, А.С. Демин, Г.Ж. Худайбергенов, 2015

26

В.И. Струнин, А.С. Демин, Г.Ж. Худайбергенов

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.

При проведении эксперимента в спектре разряда были выявлены 3 линии, соответствующие процессам излучательных переходов (3p55p ^ 3p54s), при которых происходит распад на метастабильные состояния (табл. 1). Были проведены измерения интенсивности спектральных линий 414,2 нм (линия силанового радикала) при мощностях высокочастотного разряда от 15 до 50 Вт, содержание SiH* (Л2А - Х2П) ранее исследовалось по данной линии [3; 4], С помощью интерферометра Линника была измерена толщина пленок аморфного кремния, выращенных струйным плазмохимическим методом.

Таблица 1

Значения вероятностей переходов A и сил осцилляторов fi2 для линий атома аргона [2]

2, А fi2-103 gi Я2 A,106 сек-1

4164,18 0,46 5 3 0,278

4181,88 4,6 3 3 0,587

4200,67 3,8 5 7 1,031

Заселенность уровней конфигурации 3p55p определялась по интенсивности спектральных линий, длины волн которых представлены в табл. 1. Методика расчета хорошо описана в [5]. В данной работе установим зависимость интенсивности возбуждения одной из линий излучательного перехода (3p55p 3p54s) атома аргона, при котором происходит распад на метастабильные состояния, и сравним с зависимостью интенсивности излучения перехода (Л2А - Х2П) SiH* от мощности разряда.

Результаты и их обсуждение

Интенсивность излучения на длине волны 420 нм, излучательного перехода (3p55p 3p54s) атома аргона, при котором

происходит распад на метастабильные состояния, увеличивается с ростом мощности, вкладываемой в разряд (рис. 1).

С увеличением мощности, вкладываемой в разряд, интенсивность линии SiH* снижается, что говорит о снижении концентрации этого радикала в объеме разряда, но при этом уменьшается толщина получаемых покрытий (рис. 2). Наряду с увеличением интенсивности излучательного перехода аргона от мощности разряда снижение скорости роста пленок говорит об изменении механизма газофазных реакций в активной зоне разряда.

В результате реакций силана с метастабильными частицами аргона доля радикалов SiH, SH2, SH3, должна расти, однако, если судить по интенсивности линии электронновозбужденного состояния SiH*, она падает, по крайней мере для этого радикала. Рассмотрим механизм тушения метастабильного состояния аргона на молекулах силана. Сечения девозбуждения для атома аргона молекулами силана показаны в табл. 2 [6; 7].

ч;

0)

I

ь

о

П4

4

4

Рис. 1. Относительные интенсивности линий SiH* и аргона при различных мощностях, вкладываемых в разряд:

А - относительная интенсивность линии 414,2 нм, соответствующей SiH*,

- относительная интенсивность излучения состояния аргона 420 нм при различных мощностях, вкладываемых в разряд

Скорость роста пленок аморфного кремния в зависимости от приложенной мощности

27

10 20 30 40 50

P, Вт

Рис. 2. Интенсивность линии SiH* и толщина пленок аморфного кремния в зависимости от мощности, вкладываемой в разряд:

- интенсивность линии 414,2 нм, соответствующей SiH*, А - толщина получаемых пленок аморфного кремния

Таблица 2

Сечения девозбуждения метастабильного состояния атома аргона молекулами силана

Процесс Сечение девозбуждения о

Ai*(3P2) SiH4 (11,55 эВ) sr SiH* SiH SiH+ + e SiH2, SiHs 0,27 4 4-25 0 74-94

Из табл. 3 видно, что основной вклад будут вносить реакции, продуктами которых являются радикалы SiH2, SiHe [4]. Таким образом, с увеличением мощности разряда следует ожидать увеличение скорости роста пленок аморфного кремния, однако вследствие увеличения доли силановых радикалов возрастает вероятность объемных реакций с участием силана, которые приводят к образованию конденсированной дисперсной фазы (КДФ).

Таблица 3

Химические реакции и константы скоростей метастабильных атомов аргона с молекулами силана

Процесс Константа скорости, см3/с

Ar(3Po,2) + SiH4 ^ Ar + SiH3 + H 1,40 10-10

Ar(3Po,2) + SiH4 ^ Ar + SiH2 + 2H 2,6410-10

Среди образовавшихся продуктов радикалы SiHm (m < 2) интенсивно реагируют с силаном:

SiH4 + SiH2 ^ Si2He*^ Si2H4 + H2,

SiH4 + SiH ^ Si2H3 + H2.

Это приводит в последующих реакциях к формированию высших силанов SinHm (n > 2). Силил (радикал SiHe) практически не взаимодействует с силаном (к ~ 10-15см3/с). Рост си-лила ограничен, кроме диффузионного ухода на стенки, реакциями [8]:

SiH3 + Si3H8 ^ Si4Hg + H2,

SiH3 + Si2H6 ^ Si2H5 + SiH4.

Еще один маршрут ухода силила - его реакция с самим собой, роль которой возрастает при уменьшении давления в разрядной камере в связи с увеличением концентрации электронов и более высоким производством атомарного водорода:

SiH3 + SiH3 ^ SiH4 + SiH2.

В [9] указано, что вклад этой реакции не превышает 30 % в общий уход SiHe в разряде силана. Полимеризация силана происходит за счет реакций вставки низших силанов в полисиланы:

SiH + Si4Hio ^ Si5Hii,

SiH2 + Si4Hio ^ Si5Hi2.

Образующиеся в таких реакциях частицы, в состав которых входят более чем пять атомов кремния, получили название «пыль» [8].

Кроме нейтральных радикалов в разряде активно образуются отрицательные ионы, например SiHe-, который получается в результате диссоциативного присоединения электрона [i0]. В этой работе утверждается, что главным источником наночастиц пыли являются реакции с участием аниона силила и молекулы силана:

SiH4 + SiH3- ^ Si2H5- + H2.

Выводы

В результате проведенных исследований обнаружено, что при увеличении мощности с

28

В.И. Струнин, А. С. Демин, Г.Ж. Худайбергенов

15 до 50 Вт, вкладываемой в разряд, концентрация метастабильных состояний аргона растет, а пленкообразующих силановых радикалов снижается, что приводит к уменьшению толщины получаемых пленок аморфного кремния.

Таким образом, при повышении мощности разряда происходит увеличение объемной доли силановых радикалов, при этом повышается вероятность реакций, идущих на образование высокомолекулярных соединений силана, что в конце концов влияет на рост концентрации конденсированной дисперсной фазы в разряде. То есть увеличение мощности приведет не к ожидаемому увеличению скорости роста покрытий аморфного кремния, но к ее снижению и увеличению концентрации КДФ, что плохо сказывается на качестве пленки. В результате проведенных экспериментов было замечен рост микрочастиц в объеме плазмотрона, что качественно подтверждает наши рассуждения.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Flewitt A. J., Robertson J., Milne W. Growth mechanism of hydrogenated amorphous silicon studied by in situ scanning tunneling microscopy // Appl. Phys. 1997. Vol. 85. Р. 8032-8039.

[2] Спектроскопические таблицы для низкотемпературной плазмы: справочник / Г.А. Касабов,

В.В. Елисеев. М. : Атомиздат, 1973. 160 с.

[3] Budaguan B. G, Popov A.A. et al. The application of low-frequency glow discharge to high-rate deposition of a-Si:H // J. Non-Cryst. Sol. 1998. Vol. 227-230. Р 39-42.

[4] Ray P. P., Dutta Gupta N. et al. Calculation of the Precursor Flux from Optical Emission Spectroscopy Data in Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition of Silane and its Correlation with the Deposition Rate // Jpn. J. Appl. Phys. 2002. Vol. 42. Р. 3955-3960.

[5] Байсова Б. Т., Струнин В. И. и др. Населенность метастабильных состояний аргона в ар-гон-силановой плазме высокочастотного электрического разряда // Журн. прикл. спектроскопии. 2008. Т. 25. № 5. С. 733-736.

[6] Tsuji M., Kobarai K. et al. Dissociative excitation of SiH4 by collisions with metastable argon atoms // Chem. Phys. Lett. 1989. Vol. 155. P. 481-485.

[7] Yoshida H., Morishima Y. et al. Cross sections for deexcitation of He(2 3S, 2 1S and 2 1P) by SiH4 and GeH4 // Chem. Phys. Lett. 1991. Vol. 176. P. 173177

[8] Kushner M. A model for the discharge kinetics and plasma chemistry during plasma enhanced chemical vapor deposition of amorphous silicon // J. Appl. Phys. 1988. Vol. 63 (8). P. 2532-2551.

[9] Горбачев Ю., Затевахин М., Каганович И. Моделирование роста пленок гидрированного аморфного кремния из ВЧ разрядной плазмы // ЖТФ. 1996. Т. 66. C. 89-110.

[10] Fridman A. A., Boufendi L., Hbid T., Potapkn B. V., Bouchoule A. Dusty plasma formation: Physics and critical phenomena. Theoretical approach //

J. of Appl. Phys. 1996. Vol. 79. Р. 1303.