Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Структурные особенности и физические свойства неупорядоченных полупроводников 11
1.1. Атомарная структура неупорядоченных полупроводников 11
1.2. Энергетическая структура носителей заряда в пленках неутюрядоченных полупроводников. 14
1.3. Поверхностные и объемные состояния в неупорядоченных полупроводниках 19
1.4. Влияние микроструктуры поверхности на оптические и электрофизические свойства неупорядоченных полупроводников 19
1.5. Влияние технологических режимов на микроструктуру поверхности пленок неупорядоченных полупроводников 23
1.6. Механизмы токопереноса и оптические свойства неупорядоченных полупроводников 28
1.7. Методы исследования поверхностных и объемных состояний, и структуры поверхности неупорядоченных полупроводников. 36
Выводы по главе 1 42
Глава 2. Разработка методики исследования электрофизических характеристик поверхности пленок неупорядоченных полупроводников с помощью атомно-силовой микроскопии 43
2.1.Основные элементы и общий принцип работы атомно-силовой микроскопии 43
2.2; Метод поверхностных потенциалов или метод зонда Кельвина в технике АСМ применительно к неупорядоченным полупроводникам 61
2.3. Разработка физических основ методики измерения поверхностных потенциалов, распределения электрического поля и плотности поверхностных состояний в неупорядоченных полупроводниках с помощью АСМ 66
2.3.1. Метод расчета плотности поверхностного заряда и концентрации ионизированных поверхностных и объемных состояний в неупорядоченных полупроводниках 67
2.3.2. Метод расчета толщины области пространственного заряда и плотности локализованных состояний в неупорядоченных полупроводниках 70
2.3.3. Методика расчета падения напряжения на квазинейтральной области неупорядоченного полупроводника с учетом толщины области пространственного заряда 73
2.3.4. Оценка погрешности косвенных измерений 75
Выводы по главе 2 78
Глава 3. Экспериментальные методы исследования структурных и электрофизических свойств пленок a-Si:H и a-SiC:H 79
3.1. Определение параметров шероховатости поверхности пленок неупорядоченных полупроводников 79
3.2. Тестирование АСМ на образцах с известной геометрией 81
3.3. Определение толщины пленок a-Si:H и a-SiC:H методом АСМ 83
3.4. Методика исследования спектров оптического пропускания пленок неупорядоченных полупроводников 84
3.5. Подготовка экспериментальных образцов 85
3:5.1. Технология осаждения пленок неупорядоченных полупроводников в плазме низкочастотного (55 кГц) тлеющего разряда 85
3.5:1. Разработкатопологии и конструкции экспериментальных образцов 96
3.5.2. Обоснование выбора технологических режимов получения пленок на основе a-Si:H 98
Выводы по главе 3 100
Глава 4. Исследование структурных, оптических и электрофизических свойств нелегированных пленок на основе a-Si:H . 101
4.1. Исследование структуры поверхности, оптического поглощения и распределения электрического поля и потенциала в нелегированных пленках a-Si:H 101
4.1.1. Исследования взаимосвязи электрофизических и структурных особенностей: нелегированных пленок a-Si:H в зависимости от температуры осаждения на подложку. Закономерность сохранения микроструктуры поверхности пленок a-Si:H 101
4.1.2. Исследования взаимосвязи электрофизических и структурных особенностей нелегарованных пленок a-Si:H в зависимости от времени осаждения на подложку 118
4.2. Исследования взаимосвязи структуры поверхности, оптического поглощения и распределения электрических полей и потенциалов в нелегированных пленках a-SiC:H в зависимости от содержания метана в газовой фазе 138
Выводы по главе 4 157
Основные результаты и выводы 159
Литература 161
- Влияние микроструктуры поверхности на оптические и электрофизические свойства неупорядоченных полупроводников
- Метод расчета плотности поверхностного заряда и концентрации ионизированных поверхностных и объемных состояний в неупорядоченных полупроводниках
- Технология осаждения пленок неупорядоченных полупроводников в плазме низкочастотного (55 кГц) тлеющего разряда
- Исследования взаимосвязи электрофизических и структурных особенностей нелегарованных пленок a-Si:H в зависимости от времени осаждения на подложку
Введение к работе
Быстро развивавшиеся в последние годы исследования некристаллических полупроводников составляют в настоящее время одну из наиболее активных и привлекательных областей физики конденсированного состояния. Благодаря своим уникальным свойствам некристаллические.полупроводники, стали базой: многих устройств и приборов. Наиболее важным и перспективным среди них по применению является аморфный гидрогенизированный кремний.(a-Si:H). Объем производства приборов на его основе, среди которых: солнечные элементы, матрицы тонкопленочных.транзисторов, электрофотографические слои, устройства долговременной и оперативной памяти, значительно превышает производство других материалов этого класса. Основное преимущество данного материала по сравнению с монокристаллическим кремнием связано со значением величины фотопоглощения и фото-чувствительности. Так, к примеру, оптическое поглощение аморфного кремния, полученного в плазме тлеющего разряда, в 20 раз превышает оптическое поглощение в кристаллическом кремнии [1].
С технологической точки зрения преимущества многих устройств и приборов, в частности солнечных элементов, на основе a-Si:H по сравнению с аналогичными поликристаллическими кремниевыми элементами связаны с более низкими температурами их изготовления (< 300 С), что позволяет использовать дешевые стеклянные и тонкие гибкие подложки и снизить в 20 раз потребности в кремнии. Объектами для нанесения аморфных полупроводников могут1 служить практически любые подложки (металлы, кристаллические полупроводники, диэлектрики) и поверхности большой площади[1].
Однако, для широкого применения неупорядоченных полупроводников, необходимо решение ряда проблем, среди которых наиболее важными являются:
-высокая чувствительность структуры, и как следствие электрофизических свойств материала, к технологическим условиям получения, что приводит к слабой воспроизводимости характеристик получаемых слоев пленок a-Si:H;
- метастабильность структуры и характеристик a-Si:H, которая ограничивает возможности эксплуатации приборов на его основе, вызывает серьезные пробле-
мы при использовании таких методов как диффузия, высокотемпературный отжиг дефектов, определяет чувствительность материала к внешним воздействиям.
Эти проблемы связаны между собой и. обусловлены тем, что до сих пор, в большинстве случаев, остаются не объяснимыми закономерности формирования и последующей эволюции структуры a-Si:H. Это выражается в отсутствии способов описания взаимосвязи между структурой, электрофизическими, физико-химическими свойствами материалов и условиями их роста. Прежде всего, это относится к различным структурным неоднородностям, которые оказывают решающее влияние на стабильность характеристик приборов на основе a-Si:H.
Выявление взаимосвязи между структурой поверхности слоев неупорядоченных полупроводников и их электрофизическими характеристиками необходимо для объяснения физических процессов происходящих на границах раздела: барьерах Шотки, р-n переходах и т.д. Кроме того, тенденция уменьшения габаритных размеров элементов интегральной электроники и уход в область наноразмеров, на-нотсхнологий предусматривает применение методов, позволяющих проводить исследования структурных и электрофизических характеристик поверхностей в локальных областях. К таким методам относятся наиболее распространенные: атомно-силовая и туннельная микроскопии.
Таким образом, указанные проблемы, обладают большой общностью и обуславливают необходимость развития представлений о закономерностях формирования структуры некристаллических полупроводников, установления взаимосвязи между структурой, электрофизическими, физико-химическими, свойствами материалов и условиями их роста для повышения стабильности и надежности работы приборов на неупорядоченных полупроводниках.
Цель работы
Установление взаимосвязей между структурой поверхности, технологией получения и.электрофизическими свойствами пленок на основе a-Si:H для расширения представлений о физических процессах, имеющих место в неупорядоченных полупроводниках.
Поставленная цель вызвала необходимость решения следующих задач
Проведение аналитического обзора структурных особенностей и электрофизических свойств неупорядоченных полупроводников.
Анализ методов исследования поверхности, поверхностных и объемных состояний и определение возможности применения атомно-силовой микроскопии для решения поставленной цели.
Разработка методики определения поверхностных потенциалов, распределения электрического поля и плотности состояний в неупорядоченных полупроводниках на локальных поверхностях по результатам экспериментов на атомно-силовом микроскопе.
Изучение влияния технологических режимов получения пленок a-Si:H, a-SiC:H на поверхностные и объемные свойства неупорядоченных полупроводников.
Установление взаимосвязи технологических факторов со структурными, электрическими и оптическими свойствами нелегированных пленок a-Si:H, a-SiC:H.
Научная новизна
Получены новые аналитические выражения для расчета плотности локализованных состояний на равновесном уровне Ферми, концентрации поверхностных и объемных состояний, ширины области пространственного заряда, учитывающие величину поверхностного потенциала и напряжения плоских зон в пленках неупорядоченных полупроводников.
Разработана новая методика измерения поверхностного заряда, распределения электрических полей^ потенциалов и плотности локализованных состояний в пленках на неупорядоченных полупроводниках посредством атомно-силовой микроскопии, отличающаяся от других известных методов возможностью получать распределения электрических полей и потенциалов, как по площади сканирования, так и по глубине полупроводника.
Впервые для пленок a-Si:H, a-SiC:H на площадях до 10 нм , измерен поверхностный потенциал и напряжение плоских зон методом зонда Кельвина с применением техники атомно-силовой микроскопии, что позволило определить наличие флюктуации поверхностных потенциалов на этих пленках.
4. Впервые экспериментально подтверждена закономерность сохранения микроструктуры (морфологии) поверхности (Tsi/Pi ~ Tgj: /Pj) при пропорциональном изменении температуры подложки Ts в пределах от 40 до 325 "С и давлении газов в камере Р от 132 до 252 Па для пленок на основе a-Si:H, полученных методом низкочастотного (55 кГц) тлеющего разряда. Практическая значимость работы
Разработана методика количественного определения поверхностных потенциалов и распределения электрических полей в пленках неупорядоченных полупроводников, посредством атомно-силовой микроскопии, позволяющая измерять эти величины на площадях порядка 10 нм2 и использовать ее в нанотехнологических процессах для контроля нанообъектов. Методика может применяться также и для кристаллических, органических полупроводников и других твердотельных материалов, тем самым, расширяя технические возможности атомно-силовой микроскопии.
Разработана новая методика определения толщины пленок полупроводников, диэлектриков и других материалов, в пределах от 1 им до 5 мкм посредствам АСМ, позволяющая измерять толщины с разрешением 1 нм.
Показано что, при одновременном изменении температуры подложки в пределах от 40 до 325 С и давлении газов в камере Р от 132 до 252 Па, микроструктуры поверхности пленок a-Si:H остаются постоянными. Что позволяет изменять электрофизические параметры слоев пленок a-Si:H при сохранении микроструктуры поверхности.
Установлены взаимосвязи между параметрами осаждения, микроструктурой и электрофизическими свойствами пленок a-Si:H, a-SiC:H, полученных методом НЧ ПХО, позволяющие обеспечить выбор технологических режимов осаждения для получения пленок с заданными электрофизическими характеристиками.
На защиту выносятся следующие положения
1. Аналитическое выражение, позволяющее определить плотность локализованных состояний на равновесном уровне Ферми gFa по результатам значений поверхностного потенциала
*V;
0 qs
2 rV*y-Un-
V
где o, sh є$ ~ диэлектрические проницаемости вакуума, среды между проводящим зондом и образцом и полупроводника соответственно, q - заряд электрона, UBV -постоянное напряжение, прикладываемое к образцу, Z - толщина промежуточного слоя между проводящим зондом и образцом.
Новая методика определения количественных характеристик электрических по-лей^ (F < 106 В/см), поверхностных потенциалов (0,05<^<1В), плотности состоя-ний(по выражению приведенному в п. 1) и их распределение но координатам и энергиям в высокоомных полупроводниках (ps > 1011 Ом-см). Данная методика, отличается тем, что позволяет измерять перечисленные величины как по поверхности в пределах области сканирования (от 10"9 м до 10"6 м), так и в глубь полупроводника на ширину области пространственного заряда;
Экспериментальные результаты, показывающие взаимосвязь между оптической шириной запрещенной зоны Eg в пленках a-Si:H, a-SiC:H и размерами кластерных образований на поверхности пленок: в пленках a-Si:H выращенных на подложках с проводящим окислом при увеличении среднего диаметра кластеров Dmmn от 220 до 520 нм Eg уменьшается с 1,86 до 1,68 эВ, в пленках a-SiC:H при увеличении среднего диаметра кластеров Dmean от 250 до 570 нм& увеличивается с 1,77 до 2,28 эВ. А. Закономерность сохранения микроструктуры (морфологии) поверхности (Tsi/ Р( TSJ/P}) при пропорциональном изменении температуры подложки Ts в пределах от 40 до 325 С и давлении газов в камере Р от 132 до 252 Па для пленок на основе a-Si:H, полученных методом низкочастотного (55 кГц) тлеющего разряда. При выполнении закономерности, микроструктура получаемых слоев нелегированных пленок a-Si:H (шероховатость Sai высота Zmea„ и диаметр Dmem островков) остается неизменной, а электрофизические свойства напротив меняются (плотность локализованных состояний на равновесном уровне Ферми gFo уменьшается в среднем с 1,7-Ю17 до 3,8-Ю16 см'^Эв"1, оптическая ширина запрещенной зоны Es увеличивается с 1,66 до 1,72 эВ).
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на X Всероссийской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика» (г. Зеленоград, 2003); X, XI, XII Международных научно-технических конференциях аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2003, 2004, 2005» (г. Москва, 2003,. 2004, 2005); X Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электроника и энергетика» (г. Москва, 2004); III и IV Международных научно-технических конференциях «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (г. Санкт-Петербург, 2002, 2004); XXXVI - XXXVIII научно-технической конференции (г. Рязань, 2002, 2003, 2004); биомедицинские аппараты и системы (г. Рязань, 2004); 2nd International Conference Proceedings «Physics of electronic materials» (Kaluga, 2005); XI всероссийская научная конференция студентов - физиков и молодых ученых (г. Екатеринбург, 2005); VII Международная конференция «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2005). Публикации
По результатам исследований опубликовано 40 научных работ, из которых 7 статей в рецензируемых российских журналах, 9 статей в других изданиях, включая сборники научных трудов РГРТА, 21 тезис докладов на российских и международных конференциях и 3 отчета по научно-исследовательским работам. Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 171 страницу машинописного текста, включая 14 таблиц, 74 рисунка, 104 формулы и список литературы в количестве. 122 наименований.
Внедрение результатов
Полученные экспериментальные результаты использованы в ИМИ РАН (г. Ярославль) при разработке и оптимизации технологии получения фоточувствительных слоев и приборов на их основе, ЗАО «Инструменты нанотехнологии» (г. Зеленоград) при разработке методов исследования АСМ, при выполнении серии НИР и в учебном процессе в лекционном курсе «Измерительные преобразователи и электроды» и лабораторном практикуме по дисциплине «Физика полупроводниковых приборов». Исследования были поддержаны грантом Министерства образования и науки РФ в 2003-2004 гг. (НИР 28-ОЗГ «Исследование поверхностей твердых тел методом атомно-силовой микроскопии»).
Влияние микроструктуры поверхности на оптические и электрофизические свойства неупорядоченных полупроводников
Электрофизические параметры пленок a-Si:H во многом определяются особенностями микроструктуры аморфного материала, называемой морфологией. К таким особенностям морфологии относится столбчатая структура материала, наличие проколов, топология поверхности. Наличие хорошо различимой текстуры говорит о присутствии границ раздела внутри материала. На границах же, как известно, микроструктура искажается, что оказывает влияние на электронные свойства материала.
Влияние микроструктуры и морфологии па электрофизические свойства неупорядоченных полупроводников, в частности аморфный гидрогенизированный кремний, представляет очень важное практическое значение и остается до сих пор не достаточно изученным, что бы точно связывать морфологию поверхности получаемых пленок неупорядоченных полупроводников и их электрофизические параметры.
Результаты по исследованию содержания водорода в a-Si:H [20], показали, что протяженность хвостов зон определяется в большей степени структурным беспорядком. С другой стороны, исследовалась корреляция между оптическими свойствами и спектром ИК - поглощения. В частности, связь между наклоном края Урбаха (Е0) и параметром Л" (мера локальных флуктуации потенциала из-за присутствия микропор), определяемым как отношение интегрального поглощения на частоте 2000 см" к общему интегральному поглощению па двух пиках: 2000 см"1 и 2090 см"1 [20]. Однако, существуют данные о связи между Е0 и структурной неоднородностью при отсутствии корреляции с ИК - спектром. Сделано также предположение, что структурный беспорядок определяет хвосты зон, в то время как связанный водород влияет на величину оптической щели [21].
Авторами работы [22] было показано, что при увеличении содержания мик-роструктуриых неоднородностей происходит уменьшение энергии активации темно-вой проводимости в высокотемпературной области, что свидетельствует об изменении положения уровня Ферми. Это изменение может быть связано с изменением распределения плотности состояний на хвостах зон и состояний дефектов. Также отмечено, что пленки с одинаковой долей микроструктурных неоднородностей могут обладать разными электрофизическими свойствами.
Кинетика релаксации, а также процессы установления метастабильных состояний в аморфных пленках зависят от условий их получения и уровня легирования. Наиболее распространенные модели, объясняющие природу этих явлений, как правило, связаны с процессами установления равновесия между состояниями связей Si - Si и нейтральными дефектами (оборванными связями кремния), а также с влиянием на них концентрации носителей заряда.
Возможная роль микроструктуры в релаксационных процессах в a-Si:H рассматривалась в работе [23]. Из анализа экспериментальных результатов по диффузии водорода в пленках с "колонной" микроструктурой, следовало, что межколонное пространство, с одной стороны, значительно подавляет кинетику релаксации, а с другой, - является каналом для более быстрой диффузии водорода. Участие микронеоднородностей (микропоры и т.д.) в процессах релаксации посредством влияния на диффузию водорода привлекается в целом ряде работ для объяснения различных мета стабильных процессов [24-29].
С другой стороны, наличие водорода приводит к образованию кластеризованных форм (микронеоднородностей) структуры, как было показано в работе [30], может в принципе оказывать влияние на диффузию, водорода. В частности, в работах [31, 32] было исследовано влияние общей концентрации водорода на ловушки и формы распределения водорода. Было показано, что глубокие ловушки для водорода связаны с глубокими дефектами ), тогда как прочие появляются при увеличении содержания водорода, что связывается с тенденцией образования кластеров при участии водорода.
В последнее время появилось большое число моделей, объясняющих мета-стабильность в a-Si:H с использованием кластеризованных форм [33, 34]. Эти модели достаточно успешно применяются для описания диффузии водорода в кристаллическом кремнии [35, 36]. В основе этих моделей лежат представления о минимизации свободной энергии системы при образовании водородных комплексов 1..
Подобную взаимосвязь описывают авторы работы [37] при исследовании светоиндуцированной деградации электрофизических свойств в a-Si:H. Было обнаружено, что зависимость фотопроводимости от времени в течение первых часов облучения чувствительна к содержанию кластеризованных форм Si:H связей, однако при больших временах наблюдается уменьшение aph(t) t /3. Также сообщается о прямой корреляции содержания микроструктурных неоднородностей, оцениваемого по параметру К, с фактором деградации темновой проводимости под действием рентгеновского излучения при комнатной температуре [38, 39]. В работе [39] наблюдалось увеличение скорости образования светоин-дуцированньгх метастабильных дефеїсгов при увеличении параметра К, в то время как в работе [40] наблюдалась обратная картина на образцах, полученных как при "стандартных" условиях скорости роста пленок. Данные оптических и электрофизических измерений пленок НЧ ПХО а SiC:II показали, что рост концентрации углерода в пленке приводит к увеличе нию ширины запрещенной зоны от 1,65 до 2,26 эВ. Замедление темпа увеличения ф; зависимости Eg ftXe) по сравнению с ВЧ ПХО a-SiC:H в диапазоне Хс 25,4 % объясняется образованием связей, углерод-углерод, схожих со связями в графите [41]. Автор работы [42] в результате исследования электрофизических свойств и моделирования фотопроводимости: пленок a-Si:H, полученных методом НЧ ПХО, установил, что плотность состояний в щели подвижности определяется особенностями микроструктуры пленок, обусловленной процессами десорбции водорода и его перераспределением между конфигурациями SiH и S1H2 связей. Врезультате оптические и электрофизические параметры a-Si:H, сформированного методом НЧ ПХО, определяются механизмами роста пленок, связанными с высоким потоком радикалов и ионной обработкой поверхности роста. Высокий поток радикалов обусловливает высокую скорость роста, а ионная обработка - оптимальную микроструктуру и, соответственно, лучшие электрофизические параметры материала.
Метод расчета плотности поверхностного заряда и концентрации ионизированных поверхностных и объемных состояний в неупорядоченных полупроводниках
Атомно - силовая микроскопия (АСМ) как разновидность сканирующей зон-довой микроскопии (СЗМ) является методом, который в последние годы активно используется для изучения микроструктуры поверхности и механизмов роста пленок а-Si:H [64].
СЗМ представляет собой инструмент для получения изображений с большим динамическим диапазоном, выходящим за приделы возможности оптических и электронных микроскопов [65]. Это прибор для контурного изучения поверхности с беспрецедентным трехкратным разрешением, обладающий большим набором методик, позволяющих проводить измерения электрофизических свойств, как проводимость поверхности, распределений жесткости, сил трения, адгезионных характеристик, измерение поверхностного потенциала (метод зонда Кельвина), поверхностной емкости, электростатического заряда. СЗМ позволяет проводить измерения приповерхностных профилей электрических и магнитных сил, градиентов электрических и магнитных полей [65]. Методы СЗМ обладают большой производительностью и информативностью. Изображения, полученные при помощи СЗМ, относятся к наиболее простым для толкования изображениям среди получаемых микроскопными методами. В электронном или оптических микроскопах контраст изображения основывается на комплексных эффектах электромагнитной дифракции. На основании изображения, получаемого на оптическом или электронном микроскопе, может быть сложно определить, выступает тот или иной элемент над поверхностью или наоборот утоплен в нее. СЗМ, однако, дает возможность получать трехмерные данные.
СЗМ - это приборы для изучения свойств поверхности при помощи твердотельных заостренных зондов с разрешением, определяемым параметрами зонда, в процессе их взаимного перемещения по заданным алгоритмам. Любой СЗМ состоит из твердотельного зонда, системы сканирования, обеспечивающей относительное перемещение образца и зонда по трем координатам, системы подвода зонда и образца, системы регистрации сигналов с зонда, электронной системы управления и считывания данных, системы записи и обработки данных, системы виброзащиты [66]. Родоначальником таких приборов является сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), появление которого оказало революционное воздействие в развитии исследований свойств поверхности и было отмечено присуждением Нобелевской премией по физике первооткрывателям - Г. Биннигу и X. Рореру в 1985 году. Однако в последние годы все более широкое применение находит другой вид микроскопов - сканирующие силовые микроскопы (ССМ). Это название включает в себя несколько типов приборов, работа которых основана на регистрации в процессе сканирования силового взаимодействия с поверхностью иглы, прикрепленной к упругому элементу (сенсору). Такие микроскопы, называются, еще. атомно-силовыми (АСМ), подчеркивая тем самым, что эти приборы регистрируют очень малые силы (10" - 10" Я), характерные для межатомного взаимодействия.
Метод СТМ уникален по своим потенциальным возможностям и позволяет с атомарным пространственным разрешением исследовать как топографические особенности рельефа, так и - особенности распределения плотности электронных состояний, наблюдать процесс роста пленок и движения моноатомных ступеней и пр. Но есть и существенные ограничения: все вышеперечисленное возможно только в условиях сверхвысокого вакуума и только если исследуемая поверхность обладает металлической проводимостью. Вопрос о применимости воздушного варианта СТМ измерений приходится решать в каждом конкретном случае отдельно и с большими оговорками [67], хотя и в условиях воздушной среды получен.ряд интересных результатов.
Вместе:с тем на практике не всегда возможно проведение исследований в условиях СВВ и часто бывает важно получить оперативную информацию о состоянии рельефа поверхности ее механических, электрических и др. свойствах (например, при изменении технологических режимов). В этом случае на смену СТМ приходит АСМ, круг решаемых с помощью которого задач значительно шире. Мировая практика использования АСМ для диагностики наноструктур в условиях окружающей среды свидетельствует об отсутствии существенных искажений, вносимых окислами и адсорбатами, на характер топографии исследуемой поверхности в пределах пространственного разрешения данного метода (обычно -10 км), получаемого за счет продавливания или пробивания включений посторонней фазы [68].
Основной цикл исследований проводился в региональном центре зондовой, микроскопии РГРТА с использованием атомно - силового сканирующего зондово-го микроскопа "Solver Pro " (производства NT-MDT, г. Зеленоград). Предварительное изучение поверхности образцов проводилось с помощью оптического микроскопа на базе CCD камеры Sony SSC-DC50AP У2":.
Основными элементами любого АСМ является зонд, пьезосканер, система регистрации отклонения зонда, система управления сканером. Типичная для АСМ схема взаимодействия основных элементов приведена на рис.2.1.
Принцип работы ACM основан на зондировании поверхности образца острой иглой, которая сканирует вдоль плоскости образца. Острие находится на свободном конце кантилевера - гибкой пластине, закрепленной вторым концом на сканере. Острие взаимодействует с поверхностью, сила взаимодействия заставляет кантилевер отклоняться. При сканировании величина отклонения кантилевера (или какого-либо другою параметра взаимодействия) от начально установленного значения измеряется при помощи регистрирующей системы. Сигнал, пропорциональный отклонению, поступает в систему управления сканером.
В каждой сканируемой точке поверхности система обратной связи при помощи сканера перемещает зонд по нормали к поверхности таким образом, чтобы вернуть значение параметра взаимодействия к начально поставленной величине. Одновременно величина перемещения зонда по нормали к поверхности записывается в память компьютера и интерпретируется как рельеф образца.
Важными параметрами кантилевера являются коэффициент упругости, жесткость и резонансная частота. Величина коэффициента: упругости определяется геометрическими размерами и материалом кантилевера и лежит в интервале от 0,01 до 100 Н/м. Обычно, на одной подложке имеется два или несколько кантилеверов с остриями. В настоящее время для получения кантилеверов применяются методы фотолитографии и анизотропного химического травления [69], которые позволяют изготавливать тождественные, с точностью до единиц нанометров, иглы. За счет неодинаковой скорости химического травления вдоль различных кристаллографических направлений в удается получить гибкие консоли толщиной от 0,4 до 1,5 мкм и формировать на них иглы пирамидальной или конической формы, В качестве материалов для изготовления кантилеверов используется так же SiOj и Si N . Длина коисоли лежит в пределах 50-200 мкм, ширина от 5 до 50 .мои..Обычно гибкая часть-кантилевера имеет прямоугольную форму, но часто для снижения боковых сил, вызывающих деформацию кручения, консоли кантилевера придают V-образную. форму. На рис. 2.2 приведены конструкции и геометрические характеристики простых кремниевых кантилеверов, которые производятся в настоящее время и использовались в исследованиях данной работы.
Технология осаждения пленок неупорядоченных полупроводников в плазме низкочастотного (55 кГц) тлеющего разряда
Контактная атомно - силовая микроскопия. В режиме контактной AGM, известном также как отталкивающий режим, игла АСМ входит в мягкий "физиче-скийкоптакт" с образцом Игла крепится к кошгу кантилевера, имеющего низкую пружинную жесткость - ниже фактической пружинной константы силы, удерживающей атомы образца вместе. По мере того, как сканер плавно ведет иглу через образец (или образец под иглой), контактная сила вызывает изгиб кантилевера в соответствии с изменениями в топографии.
Помимо отталкивающей ван-дер-ваальсовой силы в процессе работы АСМ в контактном режиме обычно присутствуют и две другие силы: капиллярная сила; вызываемая тонким слоем воды, который часто присутствует в окружающей среде, и сила, производимая самим кантилевером. Капиллярная сила возникает тогда, когда вода окружает иглу, создавая значительную силу притяжения (около 10"8 Н), которая удерживает иглу в контакте с поверхностью. Величина капиллярной силы зависит от расстояния между иглой и образцом. Сила, производимая кантилевером, напоминает усилие сжатой пружины. Величина и направление действия силы кантилевера (отталкивающая или притягивающая) зависят от степени отклонения кантилевера и от его пружинной жесткости.
Пока игла находится в контакте с образцом, величина капиллярной силы должна быть постоянной, так как расстояние между иглой и образцом практически не сжимаемо. Кроме того, предполагается, что водяной слой достаточно однороден. Силой с переменной величиной в контактной АСМ является сила, производимая кантилевером. Результирующая сила, которую игла производит на образец, представляет собой сумму капиллярных и кантилеверных сил и она должна уравновешиваться в контактной АСМ отталкивающей ван-дер-ваальсовой силой. Величина результирующей силы, производимой на образец, колеблется от 10"8 Н (когда кантилевер отводится от образца примерно с той же силой, с какой вода тянет иглу вниз) до более типичного рабочего диапазона - от 10"7 до 10"6 Н.
После того, как АСМ обнаружил отклонение кантилевера, он может генерировать набор топографических данных, работая в одном из двух режимов: постоянной высоты или постоянной силы. В режиме постоянной высоты пространственное изменение отклонения кантилевера может непосредственно использоваться для создания набора топографических данных, так как высота сканера в процессе сканирования фиксирована.
В режиме постоянной силы отклонение кантилевера может использоваться в качестве входных данных для контура обратной связи, который перемещает сканер вверх и вниз по оси z в зависимости от топографии, сохраняя при этом отклонение кантилевера постоянным. В этом случае изображение формируется, исходя из перемещения сканера. При поддержании отклонения кантилевера постоянным, результирующая сила, прилагаемая к образцу, остаетсяпостоянной.
В режиме постоянной силы скорость сканирования ограничивается временем реагирования контура обратной связи, но результирующая сила, прилагаемая к образцу иглой, хорошо контролируется. Для большинства: видов практического применения предпочтительным является, как правило, режим постоянной силы.
Режим постоянной высоты часто используется для съемки изображений поверхностей атомного масштаба, имеющих плоскую атомную структуру, на которых отклонения кантилевера и, соответственно, изменения прилагаемого усилия незначительны. Режим постоянной высоты также необходим для записи в реальном времени изображений изменяющихся поверхностей, когда важно иметь высокую скорость сканирования.
Неконтактная атомно - силовая микроскопия. Неконтактная АСМ (НАСМ) представляет собой одну из нескольких методик, предусматривающих применение вибрирующего кантилевера, в которой кантилевер атомного силового микроскопа вибрирует вблизи поверхности образца. Расстояние между иглой и образцом в НАСМ порядка десятых или сотых ангстрема. Это расстояние отмечено на ван-дер-ваальсовой кривой на рис. 2.9 как неконтактный режим.
Использование НАСМ желательно, так как она дает возможность измерения топографии образца при незначительном контакте между иглой и образцом или при полном его отсутствии. Как и контактная АСМ, неконтактная АСМ может использоваться для измерения топографии диэлектриков и полупроводников, а также проводников. Результирующая сила между иглой и образцом в неконтактном режиме весьма низкая. Наличие такой низкой силы имеет преимущества для; изучения мягких или эластичных образцов. Дополнительным преимуществом является то, что такие образцы, как кремниевые пластины, не загрязняются вследствие контакта с иглой.
Так как сила, возникающая между иглой-и образцом в неконтактном режиме, слабая, измерить ее труднее, чем силу, имеющуюся в контактном режиме, которая может быть на несколько порядков выше. Кроме того, кантилеверы, используемые для неконтактной АСМ, должны быть более жесткими, чем те, которые используются для контактной. АСМ, так как мягкие кантилеверы моїут быть втянуты в контакт с поверхностью образца. Малые значения силы для неконтактного режима и более высокая жесткость кантилеверов, используемых для неконтактной АСМ, являются факторами, ведущими к тому, что сигнал в неконтактной; АСМ слабый и, соответственно, его измерение затруднено. По этой причине, для работы в режиме неконтактной АСМ используется чувствительная схема детекции АС. В неконтактном режиме система вызывает вибрацию жесткого кантилсвера на частоте, близкой к его резонансной частоте.(обычно от 100 до 400.кГц) с амплитудой колебаний от нескольких десятков до нескольких сот ангстремов. Затем она определяет изменения в резонансной частоте или в амплитуде вибрации по мере того, как игла приближается к поверхности образца. Чувствительность такой схемы детекции дает на изображении вертикальное разрешение порядка ниже ангстрема, как в контактной АСМ.
Для неконтактной АСМ несвойственно разрушение, которое иногда имеет место после снятия нескольких сканов с использованием контактной АСМ. Как говорилось выше, неконтактная АСМ предпочтительнее контактной АСМ при проведении измерений на мягких образцах. В случае использования твердых образцов, изображения, полученные в контактных и неконтактных методах, могут выглядеть одинаково. Однако, если на поверхности твердого образца присутствует, например, несколько мономолекулярных слоев конденсированной воды, изображения могут сильно отличаться. АСМ, работающий в неконтактном режиме, будет обеспечивать прохождение сквозь слой жидкости для получения изображения находящейся под ним поверхности, тогда как в контактном режиме АСМ выдаст изображение жидкого слоя [65]..
В тех случаях, когда.образец с низкими модулями может быть поврежден проведением иглы АСМ по его поверхности, может быть применен другой режим работы ACM: прерывисто-контактный режим. Прерывисто-контактный режим удобен для целого ряда вариантов практического применения, и он рассматривается ниже.
Исследования взаимосвязи электрофизических и структурных особенностей нелегарованных пленок a-Si:H в зависимости от времени осаждения на подложку
Снаружи реактора размещен трехзонный ИК - нагреватель подложкодержа-телей фирмы «Semco». Температура измеряется тремя термопарами размещенными снаружи реактора и тремя термопарами размещенными в тонкой кварцевой трубке внутри реактора. Автоматическая регулировка температуры осуществляется по показаниям наружных датчиков блоком управления по пропорционально - интегрально - дифференциальной схеме, параметры которой можно изменять. Требуемая температура снаружи реактора вычисляется из задаваемой внутри него по специальным таблицам. Эти таблицы задаются заранее и могут быть поменяны во время процесса [42],
Откачка реактора осуществляется форвакуумним масляным насосом Alcatel СР 2033 через отверстие диаметром 40 мм в заднем фланце реактора. Перед насосом располагается отсечной электропневматический клапан «MKS 252А» углового типа. Для независимого от расхода газовой смеси поддержания давления в линии откачки располагается регулируемый дроссельный клапан с автоматическим управлением. В насос залито минеральное масло Alcatel 300, которое во время процесса подвергается барботированию азотом и фильтрации на бумажном и угольном фильтрах. Реактор соединен с насосом сильфонами с внутренним диаметром 40 мм; Этот диаметр значительно больше длины свободного пробега молекул при рабочих давлениях, а значит режим течения газа ламинарный, и скорость удаления всех газов одинакова.
Загрузка образцов происходит непосредственно в реактор (шлюз отсутствует). Для откачки от атмосферного давления предусмотрена отдельная дроссельная трубка с клапаном, исключающая выброс масла из насоса. Предельный вакуум в системе 0,1 Па. Давление измеряется датчиком емкостного шла марки «Baratron».
Система подачи газов предусматривает возможность подачи 8 разных газов (силан, фосфин, диборан, метан, герман, водород и др.) в любом сочетании и с любыми возможными расходами. Реакционные газы подаются по трубке от газовой панели в переднюю часть реактора, рядом с подключением измерителя вакуума «KS 122АУ . Для избежания взаимодействия восстановительных и окислительных газов до реактора имеется два независимых канала подачи газов в реактор. Величина газового потока регулируется расходомерами фирмы «Bronkhorst», При работе с агрессивными и нестабильными газами предусмотрена откачка расходомеров и клапанов с последующим заполнением их азотом перед выключением установки и перед началом процесса. Это необходимо для предотвращения загрязнения калиброванных отверстий в расходомерах и, соответственно, для поддержания воспроизводимости и стабильности их работы. Управление расходомерами и клапанами осуществляет блок управления. Расход газа и давление регулируются независимо друг от друга.
Источник низкочастотной мощности «РЕР-2509У представляет из себя без-трансформаторный конвертер. Подводимое сетевое напряжение 220 В выпрямляется и заряжает электролитические конденсаторы. Блок управления генерирует прямоугольные импульсы с регулируемой скважностью с частотой 55 кГц и управляет силовыми транзисторами, работающими в ключевом режиме. На выходе конверторов имеется измеритель мощности, подающий сигнал на схему управления, которая, меняя скважность задающих импульсов, поддерживает заданный уровень мощности. Можно задавать любое ее значение в интервале от 0 до 2500 Вт.
Формируемые силовые прямоугольные импульсы поступают на разделительный трансформатор, после чего проходят через согласующий автотрансформатор, имеющий 8 ступеней регулирования напряжения (рис.3.7). Затем они подаются на электроды по двум коаксиальным кабелям с разъединенной со стороны реактора землей. На выходе из генератора имеются измерители амплитудных значений тока и напряжения, а также измеритель мощности. Данные от всех этих измерителей выводятся на цифровой индикатор. В схеме управления имеется устройство, сравнивающее выходящую мощность и заданную. При наличии рассогласования осуществляется переключение ступеней согласующего автотрансформатора до достижения полного согласования. В генераторе предусмотрена возможность ручного согласования.
Для проверки точности измерителя мощности проведена его калибровка калориметрическим способом. По результатам калибровки установлена зависимость между измеряемым значением мощности и реальной мощностью, рассеиваемой на нагрузке 50 Ом.
Схема управления позволяет осуществлять режим модуляции, выдаваемой мощности прямоугольными импульсами, при котором НЧ-мощность подается в течение заданного времени (Гвкл.), а затем она выключается на другое заданное время (Твыкл-)- Времена включения и выключения регулируются независимо друг от друга и могут меняться от 1,2 мс до 0,5 с. Система управления технологическим процессом позволяет устанавливать основные параметры в широком диапазоне значений: мощность разряда 0 - 2500 Вт; давление в камере 10 - 300 Па; температура подложек 40 - 600С; расход газа 50 - 200 ст.см7мин.
Блок управления установкой обеспечивает работу, как в автоматическом, так и в ручном режиме. Большинство экспериментов по получению образцов проведено по предварительно заданной программе. Стандартная программа предусматривает перед процессом нанесения, длительную выдержку подложек дня выравнивания температуры, откачку и проверку герметичности вакуумной камеры, продувку нагретой камеры азотом для удаления остаточных газов, откачку и продувку расходомеров. Во время проведения процесса обеспечивается поддержание всех заданных технологических параметров и их контроль. При выходе за допустимые границы подается сигнал. Производятся вспомогательные операции (барботирование форвакуумного насоса и прочее). После процесса осаждения предусмотрено несколько откачек камеры с продувкой ее азотом, очистка расходомеров.
После нанесения пленки аморфного полупроводника для предотвращения образования термических дефектов и релаксации мелких метастабильпых состояний применялось медленное охлаждение образцов. Скорость охлаждения контролировалась и не превышала 2-3 К/мин. Используемые для проведения процессов газы (моносилан, фосфин, ди-боран) токсичны и могут самовоспламеняться. Поэтому система управления содержит блокировки, предотвращающие аварийные ситуации. Для контроля утечки этих газов имеется детектор гидридных газов фирмы «A Iphagaz», контролирующий состав атмосферы около возможных мест утечки.
Для осаждения пленок аморфного кремния использовались газы с концентрацией примесей не более 10 . Баллоны имеют специальное внугреннее покрытие, препятствующее загрязнению газов. Подвод газов к установке, осуществлялся по трубам, из малопористой нержавеющей стали, с химической полировкой внутренней поверхности трубы.
