Определение оптимальных режимов получения тонкопленочных покрытий аморфного кремния струйным плазмохимическим методом

ФИЗИКА

Вестн. Ом. ун-та. 2013. № 4. С. 114-117.

УДК 533.9

В.И. Струнин, Л.В. Баранова, Р.Б. Бурлаков, А.А. Ляхов, Г.Ж. Худайбергенов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ АМОРФНОГО КРЕМНИЯ СТРУЙНЫМ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ*

Проведен анализ физико-химических свойств получаемых покрытий, осажденных из аргон-силановой плазмы высокочастотного ёмкостного разряда. Определены оптимальные режимы осаждения тонких пленок, при которых сохраняется высокая скорость и электронные качества. Определены условия, при которых вероятность образование пылевых частиц снижена.

Ключевые слова: плазма, тлеющий разряд, конденсированная дисперсная фаза, оже-спектрометрия, пылевые частицы.

Пылевая плазма и пылевые частицы стали объектом пристального внимания в последние годы. Для одних пылевые частицы стали инструментом исследования плазмы на кинетическом уровне [1], а для других -нежелательным элементом в процессе производства микроэлектронных устройств. Частицы в плазму могут вноситься искусственно, также образовываться самопроизвольно. Одним из возможных источников зарождения пылевых частиц является конденсация. Этот процесс типичен для расширяющейся плазмы, например, адиабатически расширяющейся в вакуум, или плазмы, расширяющейся в канале МГД-генератора [2].

В реализуемом проекте для получения пленок аморфного кремния и на их основе солнечных элементов используется струйный плазмохимический метод, основанный на истечении плазменной струи в вакуум. Данный способ получения пленок аморфного кремния и устройство для его осуществления обеспечат упрощение технологии получения фотоэлектрических преобразователей и повышение производительности при применении в массовом производстве за счет возможности нанесения с высокими скоростями пленок, однородных по толщине, плотности и составу, на большие площади.

Тонкие пленки аморфного кремния должны отвечать высоким требованиям для полупроводниковых приборов. Наличие загрязняющих примесей и микровключений на поверхности пленки приводит к ухудшению электронных свойств, поэтому важным является проведение исследований в активной зоне разряда и поверхности осажденных пленок.

Цель работы - анализ тонких пленок аморфного кремния для подбора параметров и условий процесса осаждения. В ходе выполнения работ использован метод оже-спектрометрии (спектрометр «Шхуна-2»).

Методика проведения экспериментальных исследований

Плазма тлеющего разряда возбуждалась в цилиндрической вакуумной камере диаметром 7 см, длиной 15 см, диаметр сопел был равен 3, 6, 12 мм. Расстояние от среза сопла до подложки устанавливался в интервале 6-9 см. Давление в камере варьировалось в пределах 0.1-0.3 Торр и контролировалось емкостным вакуумным датчиком ВЕТЫЛ 100. Высокочастотный емкостной тлеющий разряд возбуждался генератором ЛОО-6Ъ колебательной мощностью 600 Вт (напряженность поля составила Е = 50 В/см). Два пластинчато-роторных насоса и диффузионный насос откачивали вакуумную камеру до предельного остаточного давления 10-6 Торр.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, соглашение о предоставлении гранта в форме субсидии № 14.В37.21.0771.

© В.И. Струнин, Л.В. Баранова, Р.Б. Бурлаков, А.А. Ляхов, Г.Ж. Худайбергенов, 2013

Стеклянные подложки размером 6 X 6 см проходили очистку с использованием кипящего раствора серной кислоты и дистиллированной воды. Затем на них наносился слой титана методом термовакуумного осаждения, в качестве испарителей использовались графитовые стержни. Перед напылением аморфного кремния подложки отжигались в вакуумной камере при температуре 200-300 °С. Расходомер НогпЪа Е40 позволял контролировать поток рабочего газа в пределах 4-60 веет. После повышения давления в камере плазмотрона до рабочего диапазона зажигался тлеющий разряд. Время осаждения контролировалось с помощью заслонки.

Данные исследования пленок Л189, Л200, Л201 и Л203 (параметры осаждения которых представлены в табл. 1) методом послойной оже-спектрометрии, полученные в Томском научном центре коллективного пользования, представлены на рис. 1. Измерены концентрации элементов в зависимости от толщины пленок. Как видно, концентрация кремния достигает практически 100 %, однако надо заметить, что метод не чувствителен к водороду. К тому же, на рис. 1а хорошо видно, что С, О и N на толщине 100 нм достигают 10 %. На рис. 1б-г концентрация загрязняющей примеси достигает 1 %, на рис. 1в для 50 нм С - 0.72 %, О - 0.53 %, N - 0.64 %. Мы полагаем, что кислород попал в пленку из-за наличия адсорбированных атомов на стенках вакуумной камеры и других деталях установки. Поскольку при низком вакууме длина свободного пробега атомов может достигать 80 см, то следует ожидать наличие примесей в растущей пленке главным образом из-за паров воды. Избежать атомов кислорода, инкорпорированных в пленку, можно при длительном отжиге камеры, а также за счет использования шлюзовой камеры, для того чтобы избежать попадания воздуха в ростовую камеру. Наличие углерода в пленках можно объяснить наличием в пленках карбида титана, который образовался в результате осаждения тонких пленок титана для проведения оже-анализа.

В табл. 1 представлены параметры осаждения, где Рт - давление в плазмотроне, Q - расход газа, Ы - расстояние от сопла до подложки. Видно, что увеличение расхода газа на 7 веет значительно снижает концентрацию загрязняющей примеси в пленках, особенно кислорода, от 5 до 1 % ат. (табл. 1, строки А189, А200). Это согласуется с предположением о том, что формирующаяся плазменная струя препятствует проникновению загрязняющей примеси в растущую пленку. Следующее наблюдение можно сделать по анализу расстояния от сопла до подложки. Если сравнивать образцы Л200 и Л201, видно, что при одинаковых параметрах разряда расстояние увеличено

на 33 %, толщина снижена на те же 33 %, концентрация также снизилась, но не существенно. Количественный анализ образца Л203 показывает, что увеличение расхода газа на 15 % и давления в плазмотроне до 300 мТорр приводит к увеличению скорости осаждения почти на 100 % (рис. 1в, г). Для того же расстояния толщина пленки Л203 достигает почти 200 нм, но у Л201 - только 100 нм. Для всех образцов время осаждения составляло 20 мин. Как видно, скорость осаждения слишком низкая, порядка 0.080.17 нм/е. Низкая скорость осаждения объясняется большим размером сопла. Выбор такого размера сопла оправдан снижением параметра - времени пребывания газа в активной зоне плазмотрона. Целью снижения времени пребывания является снижение частоты межмолекулярных столкновений в плазме, приводящих к образованию конденсированной дисперсной фазы (пыли), которые пагубно сказываются на качестве пленок. Время пребывания газа для Л203 составляет около 0.117 сек. Для хорошего качества тонких пленок без наличия пылевых микрочастиц, инкорпорированных в пленку, время пребывания газа должно быть ниже 0.2 сек., что было установлено экспериментально.

Таблица 1

Параметры осаждения пленок аморфного кремния

Образец Рт, мТорр 0, воет Я, см

А189 200 37,4 6

А200 250 44 6

А201 250 44 9

А203 300 52 9

Микрочастицы, образующиеся в газовой фазе, могут достигать поверхности пленки. Есть два пути решения этой проблемы: 1) снижение общей объемной доли силана в рабочем газе; 2) снижение времени пребывания газа в активной зоне разряда. Время пребывания газа - важный параметр в процессе осаждения тонких пленок, поскольку чем больше газ находится в активной фазе разряда, тем больше вероятность формирования микрочастиц. Результаты моделирования аргон-силановой плазмы предсказывают, что концентрация радикалов (8Ш3, ВШ2, БШ) достигает равновесного состояния в течение менее 1 = 0.01 сек. (рис. 2) и практически не меняется после достижения равновесного уровня [3]. Зная давление в камере плазмотрона Р, время пребывания газа в активной зоне разряда можно оценить (в приближении идеального вытеснения) т :

РУ

т =---,

Я

где Q - расход газа.

Соотношение между расходом газа и давлением не столь однозначно, оно зависит от многих параметров: размера сопла, скорости откачки и др. Но выражение (1) мо-

116

В.И. Струнин, Л.В. Баранова, Р.Б. Бурлаков, А.А. Ляхов, Г.Ж. Худайбергенов

жет дать адекватную оценку, основанную на измерении параметров ф, Р. Объем камеры плазмотрона, использованного в эксперименте, может быть вычислен (диаметр = 7 см, длина = 15 ем), тогда V = 577 см3. Результаты вычислений параметра т показаны в табл. 2.

Таблица 2 Расчетные значения параметра т

Р, Торр 0, воет Т, с Микрочастицы

0.1 4 1.12 есть

0.2 38 0.24 нет

0.5 20 1.14 есть

Как видно, время пребывания газа в зоне разряда должно быть меньше, чем 0.2 с. Таким образом, для снижения вероятности выпадения микрочастиц на поверхность растущей пленки необходимо снизить время пребывания в активной зоне разряда. Этот результат может быть достигнут снижением давления в плазмотроне, уменьшением объе-

ма плазмотрона, увеличением скорости прокачки газа. Уменьшение объема камеры плазматрона в 1.7 раза (V = 346.2 см3) позволило снизить время пребывания газа в 2 раза. Сложно увеличить скорость прокачки газа, поскольку для тех же условий оно ограничено производительностью насосов. Используя сопло диаметром 6 мм, удалось получить пленки без микрочастиц: давление Р = 0.125 Торр и расход Q = 42 веет, но уже при Р = 0.2 Торр и Q = 46 веет получены пленки с частицами, хотя в плазмотроне частиц не было, возможно, они образуется при скачке давления в критическом сечении сопла.

Анализ плёнок, полученных в данных условиях, показал, что формирующиеся при выбранных параметрах процесса покрытия отвечают требованиям для подобных структур. Таким образом, в совокупности с достигаемой высокой скоростью осаждения (0,1-1 нм/с) струйный плазмохимический метод может служить альтернативным способом осаждения плёнок а-8Ш.

Глубина, нм

а

Глубина, нм б

Глубина, нм Глу^а нм

в г

Рис. 1. Профиль концентрации элементов по глубине образцов: А189

сек.

Рис. 2. Зависимость относительных концентраций 81Из, Б1Н2, 81И и Н от времени в смеси 100 % БН

ванной дисперсной фазой // Химия плазмы : ЛИТЕрАТурА сб. Вып. 11. М. : Энергоатомиздат, 1984. С.130.

[1] Фортов В. Е., Храпак А. Г. и др. Пылевая [3] Струнин В.И. и др. Моделирование процесса

плазма // УФН. 2004. Т. 174. № 5. С. 495-544. разложения силана в высокочастотной плазме

[2] Жуковицкий Д. И., Храпак А. Г. и др. Иониза- // ЖТФ. 2°°2. Т. 72. Вып. 6. С. 109-114.

ционное равновесие в плазме с конденсиро-