Влияние внешних параметров осаждения на структурные изменения в тонких пленках аморфного кремния

ФИЗИКА

Вестн. Ом. ун-та. 2015. № 2. С. 23-25.

УДК 533.9

В.И. Струнин, Л.В. Баранова, Г.Ж. Худайбергенов

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ПАРАМЕТРОВ ОСАЖДЕНИЯ НА СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ АМОРФНОГО КРЕМНИЯ*

Изучено влияние параметров осаждения на оптические свойства тонких пленок аморфного кремния методом рамановской спектроскопии. Исследования структурной эволюции пленок показывают, что за пределами рабочего давления в 200 мТорр наблюдается аморфно-нанокристаллический переход с увеличением кристаллической фазы.

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

Введение

Полупроводниковые пленки (покрытия для устройств больших площадей) высокого качества для фотоэлектрических солнечных модулей должны обладать рядом принципиальных свойств, таких как: высокая степень оптического поглощения, высокая подвижность носителей заряда, а также низкая стоимость производства. Кристаллический кремний (с-Si), широко используемый электронный материал, характеризуется плохим оптическим поглощением в видимом диапазоне, с другой стороны, гидрогенизированный аморфный кремний (a-Si:H) обладает высоким оптическим поглощением, но низкой подвижностью носителей заряда, к тому же подвержен фотоиндуцированной деградации, названной эффектом Стеблера - Вронски [1; 2], что существенно снижает его оптоэлектронные свойства. Недавно появились работы по тонким пленкам гидро-генизированного нанокристаллического кремния (nc-Si:H), полученным методом плазмохимического осаждения из паровой фазы (PECVD) [3; 4]. Плазмохимическое осаждение тонких пленок нанокристаллического кремния предполагает возможности высокой подвижности носителей заряда и устойчивость к эффекту Стеблера - Вронски. Стоимость изготовления пленок nc-Si:H для оптоэлектронных приложений, как ожидается, будет низкой, поскольку их можно непосредственно нанести на подложки большой площади, при этом могут быть использованы методы и приемы для создания устройств на основе пленок a-Si:H. В данной работе изучено влияние параметров осаждения на оптические свойства тонких пленок аморфного кремния.

Экспериментальная часть

Осаждение тонких пленок аморфного кремния на стеклянной подложке проводилось струйным способом, в основе которого лежит генерация «целевых» радикалов в процессе плазмохимического разложения силана и последующая доставка их к поверхности подложки сверхзвуковой струей, истекающей из плазмотрона в затопленное пространство [5; 6]. Цилиндрический плазмотрон диаметром 7 см, длиной 3 см, с диаметром сопла истечения плазмы 3 мм размещался в вакуумной камере установки ННВ 6.1. В плазмотроне возбуждался тлеющий высокочастотный емкостной разряд (ВЧЕ-разряд) в аргон-силановой смеси (Ar + 5%SiH4). Расстояние от среза сопла до подложки составляло 6 см. Давление в камере плазмотрона контролировалось емкостным вакуумным датчиком SETRA 730.

* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 13-02-98033 а.

© В.И. Струнин, Л.В. Баранова, Г.Ж. Худайбергенов, 2015

24

В. И. Струнин, Л. В. Баранова, Г.Ж. Худайбергенов

Тлеющий ВЧЕ-разряд возбуждался генератором ACG-6b колебательной мощностью 600 Вт (напряженность поля E = 50 В/см). Предельное остаточное давление составляло 5-10-6 Торр. Подготовка поверхности стеклянной подложки производилась обработкой кипящим раствором серной кислоты и дистиллированной воды. Перед напылением подложки отжигались в вакуумной камере при температуре 200 °С. Расходомер

УГФПС-4 позволял контролировать поток рабочего газа в пределах 10-50 ст. см3/мин. Вкладываемая мощность разряда варьировалась от 15 до 50 Вт. После повышения давления в камере плазмотрона до 200-300 мТорр возбуждался тлеющий ВЧЕ-разряд. Время осаждения составило 15 минут. Анализ полученных тонких пленок проводился с помощью метода рамановской спектрометрии (RFS-100/s).

Результаты и их обсуждение

На рис. 1 представлена зависимость скорости роста пленок аморфного кремния от давления в камере плазмотрона при постоянной мощности, вкладываемой в разряд. Скорость роста пленок имеет локальный максимум при значении ~220 мТорр. Возможно, такое значение следует считать оптимальным для осаждения тонких пленок аморфного кремния, что косвенно подтверждалось и ранее [6].

Давление, мТорр

Рис. 1. Скорость роста пленок аморфного кремния в зависимости от давления в камере плазмотрона:

1 - мощность 45 Вт; 2 - мощность 30 Вт;

3 - мощность 15 Вт

Увеличение мощности, вкладываемой в разряд при постоянном давлении, не приводит к увеличению скорости роста пленок, что объясняется увеличением частоты молекулярных столкновений, которые приводят к процессам образования высших силанов, а в итоге к полимеризации SiH4 (рис. 2), что подтверждается наличием частиц пыли на поверхности подложки как следствия их образования в объеме плазмотрона. Чтобы избежать появления частиц пыли на по-

верхности пленок, необходимо поддержание оптимальных «антипылевых» процессов их образования в плазмотроне.

Рис. 2. Скорость роста пленок аморфного кремния

в зависимости от мощности разряда. Давление в камере плазмотрона P = 220 мТорр

В спектрах комбинационного рассеяния аморфного кремния наблюдается широкий бесструктурный пик с максимумом ~480 см-1, в то время как у кристаллического кремния - узкий пик при ~520 см-1, соответствующий переходам в центре зоны с участием LO- и TO-фононов, поэтому метод комбинационного рассеяния может быть использован для определения фазового состава пленок и доли кристаллического состояния кремния в них.

На рис. 3 показаны спектры комбинационного рассеяния пленок Si:H, сформированных при различном давлении. На пленках, нанесенных при давлении ниже 200 мТорр, присутствует широкий пик, расположенный около 470 см-1, характерный для аморфного кремния. За пределами давления в 200 мм рт. ст. ТО-подобная мода может быть правильно определена с помощью трех гауссовых пиков 480, 510 и 520 см-1, что свидетельствует о присутствии в этих пленках смеси аморфной и кристаллической фазы с различным размером зерна [7-10]. Размер зерен может быть оценен с помощью формулы

где fi = 2 нм2/см; Аю - ширина пика кристаллической фазы (c-SiH4) [10].

Долю кристаллической фазы Fc можно оценить из спектров рамановского рассеяния. С учетом промежуточных компонент отношение объемной доли кристаллической фазы определяется как

77 1с + 1Ь

Fc =-----------,

1с + 1b + I^a

где Ia - интенсивность участка рассеяния, локализованного в области 460-490 см-1, форма и ширина этой полосы соответствуют

Влияние внешних параметров осаждения на структурные изменения.

25

рассеянию на валентных локальных колебаниях Si-Si связей, средняя компонента Ib находится вблизи 500-510 см-1 из-за рассеяния на границе зерен, а третья компонента Ic - на участке 514-520 см-1 из-за рассеяния на кристаллической фазе, ц - коэффициент рассеяния. Поскольку размер зерен составляет порядка нескольких нанометров, то можно взять ц » 1 [11; 12]. Результаты по размеру частиц и доли кристаллической фазы представлены в табл.

Волновое число, см-1

Рис. 3. Типичный спектр комбинационного рассеяния света пленки кремния, полученный при мощности разряда W = 50 Вт и разном давлении:

1 - P = 200 мТорр; 2 - P = 250 мТорр;

3 - P = 300 мТорр; 4 - P = 150 мТорр

Размер частиц и доля кристаллической фазы в пленках аморфного кремния при мощности разряда W = 50 Вт и разном давлении

Давление, мТорр d, нм Fc, %

150 - -

200 4,3 19

250 9,8 52

300 11,5 81

Оптические и структурные свойства пленок Si:H определяются в том числе условиями осаждения на поверхность подложки «целевых» радикалов. Свойства пленок с различной долей кристаллических включений и размеров кристаллитов могут регулироваться давлением в камере плазмотрона и мощностью, вкладываемой в разряд. Это позволяет формировать пленки с заданными параметрами, в частности, с «настраиваемым» значением ширины запрещенной зоны, что в сочетании с высокой скоростью роста пленок повышает энергетическую эффективность фотоэлектрических прило-

жений. Низкотемпературные процессы особенно эффективны для устройств больших площадей, которые не только перспективны для снижения затрат получения фотоэлектрических солнечных модулей, но и создают возможности изготовления последних на полупрозрачной или гибкой основе.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Spear W. E., LeComber P. G. Substitutional doping of amorphous silicon // Solid State Communications. 1975. Vol. 17. № 9. P. 1193-1196.

[2] Staebler D. L., Wronki C. R. Reversible conductivity changes in discharge produced amorphous Si. // Applied Physics Letters. 1977. Vol. 31. № 4. 3 p.

[3] Lee C. H., Sazonov A., Nathan A. High-mobility nanocrystalline silicon thin-film transistors fabricated by plasma-enhanced chemical vapor deposition // Applied Physics Letters. 2005. Vol. 86. № 22. Р. 222106.

[4] Shah A. V, Meier J, Vallat-Sauvan E., Wyrsch N., Kroll U., Droz C., Graf U. Material and solar cell research in microcrystalline silicon // Solar Energy Materials & Solar Cells. 2003. Vol. 78. № 1-4. Р. 469-491.

[5] Strunin V. I., Demin A. S., Hudaibergenov G. Zh. Optical emission spectroscopy of argon-silane plasma // Russian Physics Journal. 2011. Vol. 54. Issue 2. P. 254-256.

[6] Байсова Б. Т., Демин А. С., Пушкарев А. А., Струнин В. И., Худайбергенов Г. Ж. Исследование процесса осаждения тонких пленок аморфного кремния // Вестн. Ом. ун-та. 2012. № 4. С. 46-48.

[7] Veprek S., Sarott F. A, Iqbal Z. Effect of grain boundaries on the Raman spectra, optical absorption, and elastic light scattering in nanometersized crystalline silicon // Physical Review B.

1987. Vol. 36. № 6. Р. 3344.

[8] Mavi H. S., Shukla A. K, Abbi S. C., Jain K. P. Raman study of amorphous to microcrystalline phase transition in cw laser annealed a-Si:H films. // Journal of Physic Science. 1989. Vol. 66. № 11. Р. 5322.

[9] He Y., Wei Y., Zheng G., Yu M, Liu M. An exploratory study of the conduction mechanism of hydrogenated nanocrystalline silicon films // Journal of Applied Physics. 1997. Vol. 82. № 7. Р. 3408.

[10] He Y., Yin C., Cheng G., Wang L., Liu X., Hu G. H. The Structure and properties of nanosize crystalline silicon films // Journal of Applied Physics.

1994. Vol. 75. № 2. Р. 797-803.

[11] Yue G., Lorentzien J. D., Lin J., Han D., Wang Q. Photoluminescence and Raman studies in thin-film materials: transition from amorphous to microcrystalline silicon // Applied Physics Letters.

1988. Vol. 75. № 4. Р. 492-494.

[12] Beeman D., Tsu R., Tporpe M. F. Structural information from the Raman spectrum of amorphous silicon // Physical Review B. 1985. Vol. 32. № 2. P. 874-878.