Введение к работе
Актуальность темы. Одним из важных направлений современной энергетики является широкое использование солнечного излучения. Важную роль в преобразовании солнечной энергии в электрическую энергию должны сыграть полупроводниковые солнечные элементы. Однако, чтобы они могли конкурировать с другими способами получения энергии, необходимо повысить эффективность их работы и снизить стоимость. Коэффициент полезного действия полупроводниковых солнечных элементов возможно существенно повысить путем использования антиотражающих тонкослойных покрытий. Поэтому актуальной становится задача получения тонких наноразмерных слоев оксидов различных металлов, нанесенных на поверхность полупроводниковой пластины. Современные технологии получения тонких пленок позволяют существенно расширить возможности их использования в различных областях промышленного производства, в том числе и в производстве высокоэффективных полупроводниковых источников света. В то же время современные методы получения тонких пленок являются не только инструментом для их нанесения, но и методом, который позволяет формировать состав, структуру и свойства пленок, придавая им тем самым оптические свойства, качественно отличающиеся от свойств исходного материала. В результате создается возможность целенаправленного формирования оптических свойств пленок и придания им статуса многофункциональности [1]. Наиболее перспективными для дальнейшего применения являются пленки оксидов кремния и тантала. Характерной особенностью тонко пленочных структур на основе тантала и кремния является их многофазность и неопределенность состава. Структура таких тонких пленок является преимущественно аморфной, а их состав существенно отличается от стехиометрического, поэтому оптические свойства тонких слоев существенно отличаются от свойств мо но кристаллического материала. Кроме того оптические свойства этих слоев в значительной мере зависят от свойств подложки, на которую они наносятся, а также от состава и структуры поверхностных и адсорбированных слоев.
Цель работы. Исследование оптических свойств тонких стекловидных пленок оксидов кремния и тантала, полученных методами ионно-плазменного распыления, плазмохимического осаждения, анодирования, термического окисления, осаждением из пленкообразующих растворов на мо но кристаллические полупроводниковые, поликристаллические керамические и стеклянные подложки, и разработка эффективных оптических методов контроля их качества.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
1. Исследовать структуру и состав наноразмерных стекловидных пленок, полученных различными методами.
Исследовать оптические свойства полученных пленок в широком интервале длин волн.
Установить взаимосвязь между составом и структурой подложки и оптическими свойствами тонкой пленки.
Разработать методы исследования и технологического контроля свойств наноразмерных пленок оптическими методами.
Определить возможные области практического применения тонких пленок с заданными оптическими свойствами.
Работа выполнялась в рамках федеральных целевых программ: «Развитие научного потенциала высшей школы 2009-2010» (НИР №2.1.1/429), «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2010-2014 годы» (государственный контракт от 22 марта 2010г. № 02.740.11.0553), договора №37/10 между ТУ СУР и ОАО НИИПП.
Объекты исследования. Наноразмерные, стекловидные пленки оксидов тантала и кремния на подложках из мо но кристаллического кремния, поликристаллического оксида алюминия и кварцевого стекла.
Научная новизна
Установлена зависимость физических свойств наноразмерных стекловидных пленок на основе оксидов кремния и тантала от метода их получения и показано, что пленки оксида кремния, полученные методами ионно-плаз-менного распыления, имеют преимущественно аморфную структуру, а пленки оксида тантала смешанную структуру с некоторой долей (до 30%) поликристаллической фазы.
Установлено влияние материала подложек и качества подготовки их поверхности на структуру и оптические свойства наноразмерных пленок и показано, что на оптические свойства пленок оказывают влияние как условия их получения, шероховатость поверхности подложек, так и адсорбированные на поверхности вещества.
Предложена оптическая модель тонкой пленки, нанесенной на шероховатую поверхность, и показано, что оптические свойства такой пленки зависят от длины волны, угла падения света и от геометрии рельефа поверхно -сти.
Разработаны комплексные методы исследования оптических характеристик наноразмерных пленок в широком диапазоне длин волн от 190 нм до 50 мкм.
Положения, выносимые на защиту
1. Оптические свойства, структура и фазовый состав наноразмерных, стекловидных пленок оксидов тантала и кремния в значительной мере определяются методом их получения. Наиболее близкими по характеристикам к исходному материалу обладают пленки, полученные ионно-плазменным методом.
Оптические свойства наноразмерных тонких пленок зависят от толщины пленки, материала подложки и качества подготовки её поверхности. Для пленок Si02, полученных в условиях промышленного производства методом плазмохимического осаждения, показатель преломления увеличивается (2,0) с уменьшением толщины пленки, а при магнетронном ионно-плаз-менном распылении - уменьшается (1,35).
При эллипсометрических измерениях показатель преломления, показатель поглощения и толщина наноразмерных пленок являются функциями длины волны излучения и угла падения лазерного луча, что обусловлено геометрией рельефа поверхности подложки.
Практическая ценность работы
Полученные результаты и разработанные методы исследования оптических свойств тонких наноразмерных пленок могут быть использованы как в условиях серийного производства полупроводниковых приборов в ОАО НИИПП, НПФ «Микран», так и при выполнении научно-исследовательских и учебно-практических работ в лабораторных условиях ТУ СУР.
Установленные закономерности изменения состава и структуры тонких пленок соединений тантала позволяют оптимизировать технологические режимы их получения при изготовлении полупроводниковых солнечных элементов, полупроводниковых источников света и гибридных интегральных схем СВЧ диапазона.
Разработанные методики исследований используются в учебном процессе кафедры физической электроники ТУ СУР при изучении курса «Методы исследований материалов и структур электроники». Разработанные методы контроля технологических процессов позволят повысить качество изделий полупроводниковой электроники.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных взаимодополняющих методов исследования, сопоставлением полученных данных с результатами, полученными на тех же образцах различными организациями.
Личный вклад автора
Автором работы проведены исследования оптических характеристик наноразмерных тонких пленок, разработаны экспериментальные методы исследования, проведен анализ полученных результатов.
Апробация работы
Результаты работы представлялись и докладывались на: 12-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (г. Новосибирск, НГУ, 2006); 4-й Международной научно-практической конференции «Современные тенденции развития аграрной науки в Сибири» (г. Новосибирск, НГАУ, 2006); научно-практической конференции «Современные проблемы и достижения аграрной науки» (г. Томск, 2005, 2006, 2010); 5-й Международной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (г. Томск, 2006); регио-
нальной научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Научная сессия ТУСУР» (г. Томск 2006); Международной научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (г. Барнаул, 2007, 2008, 2010); 10-й Международной конференции по научному обеспечению АПК азиатских территорий (г. Улан-Батор, 2007); 6-й Международной конференции «Наука и инновации агропромышленного комплекса» (г. Кемерово, 2007); 10-й Международной конференции «Gas Discharge Plasmas and Their Applications» (г. Томск, 2007).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 15 работ, включая 3 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК, и 12 тезисов докладов на международных, всероссийских и региональных конференциях.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из 5 глав, выводов и приложения. Материал изложен на 153 страницах машинописного текста, включая 76 рисунков и 26 таблиц. Список использованных источников и литературы содержит 115 наименований.
