Условия, регулирующие получение тонких пленок ZnO в разрядных системах

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 621.793.18

УСЛОВИЯ, РЕГУЛИРУЮЩИЕ ПОЛУЧЕНИЕТОНКИХ ПЛЕНОК 1п0 В РАЗРЯДНЫХ СИСТЕМАХ

© 2012 Аль-Тхуаели С.А.

Департамент школ Министерства образования и воспитания

Республики Йемен

В статье отражены результаты исследования условий синтеза тонких пленок ZnO методом магнетронного распыления с высокими скоростями роста. Установлено, что состояние ориентирующей и неориентирующей поверхностей пленок ZnO (в смысле формирования на них структуры растущего слоя) определяется целым рядом параметров.

The article reflects the research results of the conditions of ZnO thin films synthesis by the method of the magnetron sputtering with the high growth rates. The author found that the state of orienting and non-orienting surfaces of ZnO films (in the sense of the growing layer structure forming on them) is determined by a number of parameters.

Ключевые слова: оксид цинка, синтез тонких пленок, магнетронное распыление, кристаллические ориентированные пленки ZnO, эпитаксия.

Keywords: Zinc oxide, the synthesis of thin films, magnetron sputtering, crystalline oriented films ZnO, epitaxy.

фотоэлектрических и

пьезоэлектрических преобразователях, в устройствах отображения информации [3, 7, 9] и т.д.

Анализ проблемы

Оксид цинка различной морфологии получают разными способами, в том числе и методом магнетронного распыления [8]. Однако широкое использование материалов данного класса требует дальнейшей разработки и совершенствования метода

магнетронного распыления, в том числе и при условии применения высоких скоростей роста. Это обусловлено тем, что поверхности оксида цинка имеют различные свойства из-за высокой дефектности структуры. Поэтому необходимо исследование свойств

Введение

Получение высококачественных тонких пленок металлов, диэлектриков и полупроводников является одной из актуальных задач технологии изготовления различных элементов микроэлектроники. Оксид цинка -материал со структурой вюрцита, и в то же время он обладает рядом таких существенных преимуществ, как

интенсивная экситонная люминисценция при высоких температурах и устойчивость к высокоэнергетическому излучению, что сегодня является одним из базовых требований, предъявляемых к материалам для работы в экстремальных условиях. Оксид цинка имеет широкое применение: в устройствах на

поверхностно-акустических волнах [2], в

образцов, полученных в

контролируемых условиях и

подвергаемых целенаправленной

обработке (при изменении таких параметров, как температура подложки, давление и состав рабочего газа в системе, природа и концентрация примеси в мишени (керамике ZnO), ток разряда и др.).

Методика эксперимента

Магнетронное распыление, по

сравнению с другими, имеет ряд преимуществ (высокие скорости осаждения, хорошая управляемость и др.). Пленки 2п0 получали в атмосфере кислорода в магнетронной

распылительной системе. Диск имел форму таблетки диаметром 55 и толщиной 4-4,5 мм. Площадь зоны эрозии составляла 5 см2. Плотность тока: от 10 до 120 А/см2. В качестве подложки применяли монокристаллические

пластины А1203 (0001) с

предварительной модификацией их

поверхности с целью облегчения эпитаксиального роста. Тподл. « 700°С. Контроль Тподл. осуществлялся хромель-алюмелевой термопарой.

Морфология и толщина пленок исследовалась с помощью

микроинтерферометра МИИ-4.

Ориентацию и совершенство пленок исследовали с помощью электронографа ЭГ-75.

Результаты и обсуждение

При использовании магнетронной распылительной системы состояние ориентирующей и неориентирующей поверхностей пленок 2п0 (в смысле формирования на них структуры растущего слоя) не может быть определено лишь заранее заданной температурой подложки, поэтому на первом этапе нашего исследования задача заключалась в выборе оптимального расположения (по структурному совершенству) подложек в распылительной системе при

фиксированных остальных параметрах.

Конфигурация магнетронной

распылительной системы оказывает определяющее влияние на температуру подложки

в процессе нанесения на нее пленки [8]. Изменение температуры подложки

обусловлено, во-первых, прямым

излучением разряда [7], во-вторых,

бомбардировкой ее электронами, энергия которых может достигать 500 эВ. Поток высокоэнергетических электронов возникает с поверхности мишени, где линии магнитного ПОЛЯ практически перпендикулярны ей. В

результате этого электроны не

захватываются в магнитную ловушку, а двигаясь параллельно электрическому полю, ускоряются в темном катодном пространстве до значительных энергий (до 500 эВ) и, не испытав столкновений с атомами газа, бомбардируют подложку, вызывая ее разогрев [9]. В нашем случае аксиально-симметричного планарного магнетрона высокоэнергетические

электроны эмитируются центральной частью мишени. Суммарный поток электронов представляется в виде симметричного «факела». Направление его вытянутости совпадает с нормалью к поверхности мишени, поэтому температура подложки, находящейся в этой зоне без дополнительного нагрева при мощности разряда W = 60-80 Вт, достигает 400-480°С. Вне этой зоны электроны, эмитированные мишенью, эффективно захватываются магнитным полем, и их энергия расходуется на ионизацию атомов рабочего газа, поэтому при той же мощности разряда и вне центральной зоны подложки нагреваются до 50-60°С, а это обстоятельство требует более корректного определения оптимального положения подложки относительно области эрозии на мишени [1].

Осаждение осуществлялось на плоскости вещества аморфной структуры (стекло, плавленый кварц, окисленная поверхность

монокристаллической пластинки

кремния и др.) в атмосфере кислорода при давлении р = 1,33 Па. При осуществлении процесса напыления пленок 2п0, подложки дополнительному нагреву не подвергались, а ток разряда поддерживался в пределах 60 мА. При расположении подложки над

центральной частью мишени, кроме повышения температуры подложки, наблюдается ухудшение структуры пленок по сравнению с расположением подложек вне области интенсивного потока электронов. Мы считаем, что облучение растущей поверхности быстрыми электронами существенно

изменяет кинетику поверхностных

процессов, сопровождающих

формирование упорядоченной

структуры осадка. Если подложку

расположить вне центральной области мишени, то степень ориентированности пленок зависит от угла а между нормалью к плоскости мишени и нормалью к поверхности подложки и

Рис. 1. Задание местоположения подложки в системе параметрами

вектора г, соединяющего центр мишени с центром подложки.

С учетом симметрии тороидальной формы разряда вектор г можно задать в полярных координатах (г, ф). На рис. 1. показано задание подложки

относительно катода параметрами (а, г, ф). Пленки 2п0 обладают

максимальным совершенством при некотором расположении подложки относительно катода (магнетрона), оптимальность которого по отношению к структуре получаемых пленок установлена подбором значений параметров а, г, ф эмпирическим путем. Электронограмма на отражение от пленки 2п0, полученной при указанных выше условиях, дана на рис. 2.

Рис. 2. Электронограмма на отражение от пленки ZnO, на стеклянной подложке без его предварительного нагрева

Рис. 3. Электронограмма на отражение Рис. 4. Электронограмма на отражение

от пленки ZnO, полученной от пленки ZnO, полученной

при температуре подложки Т=500°С при температуре подложки Т=650°С

Индицирование электронограммы показало, что направление оси текстуры [0001] 2п0 совпадает с нормалью к плоскости подложки и ее кристаллиты друг относительно друга

разориентированы на угол 9=5°. На электроннограмме на пленке малой толщины присутствует интенсивный диффузионный фон, который

обусловлен малостью линейных размеров начальных кристаллитов роста пленки 2п0 и значительным отражением электронов от аморфной поверхности подложки. С увеличением толщины пленки 2п0 наблюдалось уменьшение диффузного фона и увеличение контраста электроннограммы, что свидетельствует об увеличении линейных размеров кристаллитов 2п0 с увеличением толщины пленки (на вид пленки обладают зеркально гладкой поверхностью и прозрачны, но с увеличением толщины более 5 мкм приобретают дымчатый оттенок).

Без предварительного нагрева температура подложки под действием разряда поднимается до 500С через 15 минут после включения разряда, и остается постоянной до окончания процесса осаждения. Нами установлено, что сильное влияние на структуру пленок при названных условиях оказывает температура подложки. Для определения температурной

зависимости структуры пленок при фиксированных остальных параметрах температуру подложки поднимали от 50 до 8000С с интервалом 250С.

При увеличении температуры подложки до 4000С угол разориентации 0 остается неизменным, возрастает контраст дифракционной картины, что свидетельствует об увеличении размера кристаллитов пленки. С дальнейшим увеличением температуры подложки от 4000С до 5000С наблюдается уменьшение угла разориентации 0 с одновременным появлением тяжей по нормали к направлению первичного пучка электронов. Электроннограмма от пленки 2п0, полученной при температуре подложки Т=5000С, дана на

рисунке 3. Вертикальная вытянутость рефлексов электроннограммы

характерна для объектов структуры типа слюды. Таким образом, данный результат указывает на то, что кристаллиты пленки 2п0, образующиеся в интервале Т от 4000С до 5000С, по объему образца, имеют ограниченный размер (с характерной чешуйчатой формой), высота же пленки увеличивается в результате их наслоения. Мы считаем, что

кристаллиты следующего слоя формируются в областях стыковки более двух кристаллитов предыдущего слоя, а при дальнейшем увеличении

температуры подложки до 6500С длина вертикальных тяжей на

электроннограммах уменьшается и электроннограмма от пленки 2п0, полученной при 6500С, состоит из точечных рефлексов (рис. 4.). Точечная электроннограмма наблюдается для протяженных объектов достаточно совершенной структуры. В этом интервале температур подложки уменьшение длины тяжей рефлексов объясняется ростом размеров кристаллитов в толщину пленки, поэтому мы утверждаем, что пленки 2п0, полученные в интервале температур от 6500С до 7000С, обладают столбчатой структурой (отдельные кристаллиты прорастают на всю толщину пленки), а при дальнейшем увеличении температуры подложки до 8000С наблюдается ухудшение структуры, что выражается в увеличении угловых размеров рефлексов

электронограммы. В исследованном интервале температур подложки (508000С) наблюдаются рефлексы текстуры ориентации (0001), а скорость роста пленок при токе разряда 1=60 мА, равная

0,9 нм/с, в данном интервале температур, также не изменялась. Совершенство растущей пленки 2п0 зависит от скорости роста и совершенной структуры пленки, и она не может быть получена со скоростью больше чем 2,5 нм/с, однако нами было осуществлено получение пленок 2п0 при фиксированном оптимальном

расположении подложки в системе и температуре подложки Т=6500С, но при увеличении тока заряда в системе от 60 до 600 мА.

Выводы

В результате исследования условий синтеза тонких пленок 2п0 методом магнетронного распыления с высокими скоростями роста впервые установлено следующее.

- Мишень из 2п0 в виде спеченной керамики без разрушения может выдерживать длительную токовую нагрузку до 450 мА, а при увеличении тока разряда от 60 до 450 мА скорость роста пленки 2п0 увеличивается до 6 нм/с; при токе разряда 450 мА наблюдается формирование пленок с такой же температурной зависимостью структурного совершенства, какая наблюдается и при токе 60 мА. Надо отметить, что скорость роста пленок 2п0, равная 6 нм/с, является непредельной, она ограничена максимальной мощностью, рассеиваемой мишенью, а не с ухудшением структурного совершенства пленок.

- С увеличением давления выше 2,66 Па наблюдается ухудшение структуры

пленок (начало разориентировки кристаллитов), при этом увеличивается вероятность возвращения распыленных атомов на катод из-за столкновений с молекулами рабочего газа, что приводит к снижению скорости роста. При изменении давления с 2,66 до 1,06 Па не замечено ухудшения структурного совершенства пленок, и этот интервал давлений является рабочим (нижний предел давления ограничен тушением разряда).

- При стабильных параметрах разряда в продолжительное время пленки 2п0 нужной толщины с хорошей воспроизводимостью структуры можно получить со скоростью от 0,9 нм/с до 6 нм/с. Нижний предел скорости роста связан с тушением разряда при низких напряжениях.

- Сильное влияние на структурное совершенство пленок 2п0 оказывает расположение подложек относительно катода. Выбранное оптимальное положение подложек следует соблюдать достаточно точно: г - с точностью до ±34 мм, а а - с точностью до ±50, ф - с точностью до ±2-30.

Примечания

1. Аль-Тхуаели С. А. Рабаданов Р. А., Исмаилов А. М., Алиев И. Ш. Синтез эпитаксиальных пленок оксида цинка методом магнетронного распыления в условиях воздействия потока микрочастиц на ростовую поверхность // Вестник Дагестанского государственного университета. 2012. Вып.

1. С. 34-37. 2. Анисимкин В. И., Котелянский И. М., Верона Э. Анализ газов и индуцируемых ими поверхностных процессов с помощью поверхностных акустических волн // ЖТФ. 1998. Т. 68. №

2. C. 73-81. 3. Бланк Т. В., Гольдберг Ю. А. Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи для ультрафиолетовой области спектра // Физика и техника полупроводников. 2003. Т. 37. Вып. 9. С. 1025-1055. 4. Рабаданов Р. А., Рабаданов М. Р., Исмаилов А. М., Темиров А. Т. Особенности кристаллизации оксида цинка // Материалы Всероссийской конференции по физической электронике. Махачкала: Изд-во ДГУ, 1999. С. 214-216. 5. Семилетов С.А. Электрические свойства эпитаксиальных и поликристаллических пленок ZnO // Кристаллография. 1974. Т. 19. Вып. 4. С. 850-853. 6. Семилетов С. А. и др. Связь электрических и фотолюминисцентных свойств эпитаксиальных слоев ZnO с условиями их осаждения // Кристаллография. 1979. Т. 24. Вып.1. С.189-191. 7. De Sousa V. C., Morelli M. R., Kiminami G. A., Castro M. S. Electrical properties of ZnO-based varistors prepared by combustion synthesis // Journal of materials science: Materials in electronics. № 13. 2002. P. 319-325. 8. Jeong Sang-Hun et al. // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 82. № 16. P. 2625-2630. 9. Vanheusden K., Warren W. L., Seager C. H., Tallant D. R., Voigt J. A., Gnade B. E. Mechanisms behind green photoluminescence in ZnO phosphor powders // J. Appl. Phys. 1996. V. 79. P. 7983-7991.

Статья поступила вредакцию 15.02.2012 г.