Содержание к диссертации
Глава 1 11
1. Литературный обзор 11
-
Тонкие плёнки в современной технике 11
-
Методы осаждения тонких плёнок 13
1.2.1 Осаждение из паровой фазы 13
-
Вакуумное испарение 14
-
Молекулярно-лучевая эпитаксия 17
-
Осаждение из металлоорганических соединений 19
1.2.2 Ионное распыление 21
-
Магнетронное распыление 23
-
Высокочастотное ионное распыление 24
-
Реактивное ионное распыление 25
1.2.3 Импульсные методы осаждения тонких плёнок 25
-
Импульсное лазерное осаждение 25
-
Осаждение плёнок из плазмы взрывающихся проводников 30
-
Импульсное ионное осаждение 32
Выводы к первой главе 36
Глава 2 Оборудование и методика эксперимента 38
-
Сильноточный импульсный ускоритель «ТЕМП» 38
-
Ионный диод с магнитной самоизоляцией 40
-
Ионный диод с внешним магнитным полем 43
-
Диагностическое оборудование 46
-
Методика эксперимента 48
-
Методы исследования тонких плёнок 51
-
Исследования кристаллической структуры 51
-
Исследование микроструктуры 52
-
Анализ состава материалов 53
Глава 3 Влияние воздействия МИЛ на мишень 55
-
Изменение кристаллической структуры поверхностного слоя мишени из GaAs при воздействии МИЛ 57
-
Изменение химического состава поверхностного слоя мишени из GaAs при воздействии МИЛ 58
-
Морфология поверхности мишени из GaAs 62
-
Коэффициент импульсной эрозии мишени из GaAs 65
-
Угловая расходимость абляционного материала GaAs 69
Выводы к третьей главе: 74
Глава 4 Свойства и структура плёнок 75
Ведение 75
-
Морфология поверхности, элементный и фазовый состав плёнок GaAs 77
-
Морфология поверхности, элементный и фазовый состав плёнок InP 80
-
Зависимость морфологии поверхности плёнок GaAs от температуры подложки 83
-
Электрофизические свойства плёнок GaAs 86
Выводы к четвёртой главе: 91
Заключение 92
Список литературы 94
Приложение А 102
Введение к работе
Актуальность работы. Взаимодействие мощных импульсных пучков заряженных частиц с твёрдым телом активно исследуется на протяжении последних двух десятилетий. В первых публикациях было показано, что при переходе от непрерывного к высокоинтенсивному импульсному режиму облучения, происходит качественное изменение природы радиационно-стимулированных процессов. Особенно это заметно для пучков длительностью менее 1 мкс. Данное обстоятельство, помимо чисто научных задач, породило значительные надежды на возможность технологического применения импульсных ускорителей заряженных частиц [1].
Взаимодействие сильноточных пучков заряженных частиц с веществом вызывает ионизацию и перестройку молекул, нагревание, термомеханическое нагружение, распыление, плавление и испарение вещества. Процессы, сопровождающие взаимодействие сильноточных пучков с веществом, могут использоваться для решения научных и технологических задач. Наиболее интенсивно ведутся работы по модификации свойств материалов, накачке лазеров и генерации мощных потоков электромагнитного излучения [2]. Большой интерес представляет такая область применения сильноточный пучков как осаждение пленок из абляционной плазмы, связанный с поиском новых, более дешевых методов получения тонкопленочных структур. Основные преимущества метода осаждения пленок из абляционной плазмы: высокая скорость осаждения вещества на подложке (порядка 0.1 - 1.0 см/с) и низкая стоимость покрытий (5 долл./м""-мкм); сохранение стехиометрического состава облучаемой мишени в плёнке при использовании мишени сложного состава; узкая направленность выбрасываемых с поверхности продуктов эрозии мишени (высокий коэффициент использования мишени).
В настоящее время идёт производственное освоение ионно-пучковой технологии, в которой наиболее значимы два технологических направления.
1. Получение новых материалов: нанесение плёнок на заданную подложку путём распыления специально выбранной мишени; бомбардировка подложки в процессе нанесения покрытия для улучшения адгезии и плотности наносимых слоев; имплантация выбранных ионов в мишень для создания практически нового материала; - ионно-пучковая эпитаксия для создания полупроводниковых структур. 2. Модифицирование материалов (поверхностного слоя): формирование заданного рельефа путём распыления атомов на поверхности; изменение структуры (например, с кристаллической на аморфную) путём имплантации; изменение элементного состава и фазового состояния путём имплантации, в том числе многокомпонентной имплантации, и/или ионного перемешивания атомов мишени и плёнки, предварительно нанесённой на мишень.
Таким образом, научный и практический интерес представляет исследование процесса радиационно-стимулированого распыления вещества при облучении мишени мощным ионным пучком (МИП), который может быть использован для получения плёнок на заданную подложку.
Цель работы: экспериментальное исследование импульсной абляции при частотно импульсном воздействии мощного ионного пучка на полупроводниковую мишень и формирования тонких полупроводниковых пленок GaAs и InP.
Основными задачами данной работы являются: - научно-техническое обоснование и оптимизация устройства для формирования полупроводниковых пленок из абляционной плазмы, формируемой мощным ионным пучком; исследование закономерностей импульсной абляции полупроводниковых материалов на примере GaAs; исследование элементного и фазового состава осаждённых плёнок GaAs, InP, а также морфологии их поверхности; исследование электрофизических свойств полупроводниковых плёнок GaAs.
Научная новизна работы заключается в том, что установлены новые закономерности импульсной эрозии полупроводниковой мишени GaAs; впервые показана возможность осаждения пленок InP из абляционной плазмы.
Показано, что коэффициент импульсной эрозии мишени из GaAs уменьшается при увеличении числа импульсов воздействия, вследствие изменения морфологии поверхности мишени и модифицирования поверхностного слоя предыдущими импульсами тока ионного пучка.
Установлено, что рельеф поверхности плёнки GaAs, осаждённой из абляционной плазмы сглаживается, при осаждении пленки на нагретую выше 200С кремниевую подложку.
Определено, что половинный угол распространения абляционного материала GaAs ниже, чем при распылении металлических материалов и составляет величину примерно 12±2.
Впервые показано, что плёнки InP, осаждённые из абляционной плазмы, формируемой импульсным ионным пучком, сохраняют стехиометрию объёмной мишени и являются поликристаллическими.
Практическая значимость. Количественные данные результатов экспериментальных исследований по коэффициенту импульсной эрозии, половинному углу распространения абляционного материала GaAs, линейных размерах диод - мишень - подложка, толщине осаждаемой пленки за один импульс составляет научно-техническую основу разработки опытного процесса синтеза полупроводниковых пленочных структур для солнечных фотоэлектрических приборов.
Результаты экспериментальных исследований использованы в курсе лекций «Получение и применение пучков заряженных частиц» для магистрантов и студентов ТПУ.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы в ГОУ ВПО НИИ Высоких Напряжений при ТПУ (г. Томск).
Положения, выносимые на защиту:
Коэффициент импульсной эрозии материала GaAs и его разброс снижаются с увеличением числа импульсов тока ионного пучка на мишень, половинный угол распространения абляционного материала GaAs ниже, чем при распылении металлических материалов, и составляет величину менее 12±2.
Плёнки InP, GaAs, осаждённые на кремниевую подложку при комнатной температуре, сохраняют стехиометрический состав объёмной мишени и являются поликристаллическими.
Рельеф поверхности плёнки GaAs, осаждённой из абляционной плазмы сглаживается при осаждении пленки на нагретую выше 200С кремниевую подложку.
Многослойные пленки GaAs с толщиной каждого слоя 1-5нм, осажденные из абляционной плазмы, достигают максимальной фоточувствительности при вакуумном отжиге до температуры 600-700К и имеют спектральную фоточувствительность: hv=1.2 - 4.0 эВ.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции «Korus 2005», на девятой конференции «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V» в 2006 г., на конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики» в 2006 г., на «International Conference on Interaction of Radiation with Solids» в 2005 и 2007 годах, на V международной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» в
2006 году, на международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах 2007», на «15е International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beam» в 2007 году, на «17th International Conference on High-Power Particle Beams» в 2008 году.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, 5 из которых в научных журналах, рекомендованных ВАК, 9 в трудах международных научных конференций.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа изложена на 102 страницах машинописного текста, иллюстрируется 40 рисунками и 3 таблицами, и состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 95 наименований.
Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, представлена цель исследования, научная новизна, практическая значимость, положения, выносимые на защиту, апробация результатов работы, структура и объём диссертации.
В первой главе приведён литературный обзор областей применения тонких плёнок в современной технике, описаны существующие методы их получения, особое внимание уделено импульсным методам осаждения тонких пленок, приведен сопоставительный анализ особенностей импульсного и непрерывного методов осаждения.
Вторая глава посвящена методике проведения исследований, приведено описание импульсного ионного ускорителя «ТЕМП» с двумя диодными системами: первая основана на диоде с магнитной самоизоляцией, вторая на диоде с внешней магнитной изоляцией. Приведены параметры ионного пучка, обеспечиваемые обоими типами диодных систем. Представлена методика осаждения тонких плёнок из абляционной плазмы. Описано диагностическое оборудование, привлекаемое для контроля параметров ускорителя, а также были рассмотрены методы исследования осаждённых плёнок, используемые в представленной работе.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований коэффициента импульсной эрозии, морфологии поверхности и кристаллической структуры поверхностного слоя мишени из GaAs после воздействия различного числа импульсов тока пучка.
В четвёртой главе представлены результаты исследования плёнок GaAs и InP, осажденных из абляционной плазмы на кремниевую подложку; данные об элементном и фазовом составе; морфологии поверхности осаждённых плёнок; результаты исследования зависимости шероховатости плёнок GaAs от температуры подложки. Часть главы посвящена результатам исследований электрофизических свойств плёнок GaAs, осажденных на поликор.
В заключении приводятся основные результаты работы.
Основные результаты работы состоят в следующем:
На основе экспериментальных исследований обосновано оптимальное значение расстояния мишень-подложка для фокусирующего магнитоизолированного диода и соотношение поперечных размеров мишени и подложки.
Коэффициент импульсной эрозии мишени из GaAs и его разброс уменьшаются при увеличении числа импульсов воздействия ионного пучка, вследствие изменения морфологии поверхности мишени и модифицирования поверхностного слоя предыдущими импульсами тока.
Плёнки InP, осаждённые из абляционной плазмы, формируемой импульсным ионным пучком, сохраняют стехиометрию объёмной мишени и являются поликристаллическими со средним размером кристаллита 8-9 нм.
Рельеф поверхности плёнки GaAs, осаждённой из абляционной плазмы сглаживается при нагреве подложки выше 200С.
Фотоэлектрические свойства пленок GaAs, полученных осаждением на керамическую подложку с помощью ионного пучка, зависят от условий их синтеза, таких как наличие капельной фракции и нарушение стехиометрического состава на периферии плёнки.
Обнаружено формирование регулярной структуры на поверхности мишени из GaAs при воздействии более 20 - 40 импульсов тока пучка. Размер формируемых кристаллитов в поверхностном слое мишени толщиной до 6 мкм составляет величину 20±10 нм.
Половинный угол разлета абляционного материала GaAs на полувысоте максимальной толщины пленки составляет величину 0/2 =12 при расстоянии от мишени 10 см. Эта величина значительно меньше, чем для металлических мишеней.
Работа выполнена в Томском политехническом университете при частичной финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (грант № 06-08-00768-а «Импульсное осаждение пленок GaAs из абляционной плазмы, формируемой мощным ионным пучком).
