Импульсное осаждение полупроводниковых плёнок GaAs и InP из абляционной плазмы, формируемой мощным ионным пучком тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат технических наук Салтымаков, Максим Сергеевич

• Салтымаков, Максим Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Салтымаков, Максим Сергеевич

Введение.

Глава 1.

1. Литературный обзор.

1.1 Тонкие плёнки в современной технике.

1.2 Методы осаждения тонких плёнок.

1.2.1 Осаждение из паровой фазы.

1.2.1.1 Вакуумное испарение.

1.2.1.2 Молекулярно-лучевая эпитаксия.

1.2.1.3 Осаждение из металлоорганических соединений.

1.2.2 Ионное распыление.

1.2.2.1 Магнетронное распыление.

1.2.2.2 Высокочастотное ионное распыление.

1.2.2.3 Реактивное ионное распыление.

1.2.3 Импульсные методы осаждения тонких плёнок.

1.2.3.1 Импульсное лазерное осаждение.

1.2.3.2 Осаждение плёнок из плазмы взрывающихся проводников.

1.2.4.3 Импульсное ионное осаждение.

Выводы к первой главе.

Глава 2 Оборудование и методика эксперимента.

2.1 Сильноточный импульсный ускоритель «ТЕМП».

2.2 Ионный диод с магнитной самоизоляцией.

2.3 Ионный диод с внешним магнитным полем.

2.4 Диагностическое оборудование.

2.5 Методика эксперимента.

2.6 Методы исследования тонких плёнок.

2.6.1 Исследования кристаллической структуры.

2.6.2 Исследование микроструктуры.

2.6.3 Анализ состава материалов.

Глава 3 Влияние воздействия МИЛ на мишень.

3.1 Изменение кристаллической структуры поверхностного слоя мишени из ОаАБ при воздействии МИЛ.

3.2 Изменение химического состава поверхностного слоя мишени из ваАз при воздействии МИЛ.

3.3 Морфология поверхности мишени из ОаАэ.

3.4 Коэффициент импульсной эрозии мишени из ОаАэ.

3.5 Угловая расходимость абляционного материала ваАэ.

Выводы к третьей главе:.

Глава 4 Свойства и структура плёнок.

Ведение.

4.1 Морфология поверхности, элементный и фазовый состав плёнок ваАэ.

4.2 Морфология поверхности, элементный и фазовый состав плёнок 1пР.

4.2 Зависимость морфологии поверхности плёнок ОаАэ от температуры подложки

4.3 Электрофизические свойства плёнок ваАБ.

Выводы к четвёртой главе:.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Импульсное осаждение полупроводниковых плёнок GaAs и InP из абляционной плазмы, формируемой мощным ионным пучком»

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 слоёв;

- 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 (МИЛ), 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 ОаАБ и 1пР.

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 ОаАэ;

- исследование элементного и фазового состава осаждённых плёнок ОаАэ, 1пР, а также морфологии их поверхности;

- исследование электрофизических свойств полупроводниковых плёнок ОаАэ.

Научная новизна работы заключается в том, что установлены новые закономерности импульсной эрозии полупроводниковой мишени ваАз; впервые показана возможность осаждения пленок 1пР из абляционной плазмы.

1. Показано, что коэффициент импульсной эрозии мишени из ваАз уменьшается при увеличении числа импульсов воздействия, вследствие изменения морфологии поверхности мишени и модифицирования поверхностного слоя предыдущими импульсами тока ионного пучка.

2. Установлено, что рельеф поверхности плёнки ОаАэ, осаждённой из абляционной плазмы сглаживается, при осаждении пленки на нагретую выше 200°С кремниевую подложку.

3. Определено, что половинный угол распространения абляционного материала ОаАэ ниже, чем при распылении металлических материалов и составляет величину примерно 12°±2°.

4. Впервые показано, что плёнки 1пР, 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 ОаАэ, 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:

1. 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°.

2. Плёнки InP, GaAs, осаждённые на кремниевую подложку при комнатной температуре, сохраняют стехиометрический состав объёмной мишени и являются поликристаллическими.

3. Рельеф поверхности плёнки GaAs, осаждённой из абляционной плазмы сглаживается при осаждении пленки на нагретую выше 200°С кремниевую подложку.

4. 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 7

2006 году, на международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах 2007», на «15th 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.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Салтымаков, Максим Сергеевич

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. На основе экспериментальных исследований обосновано оптимальное значение расстояния мишень - подложка для фокусирующего магнитоизолированного диода и соотношение поперечных размеров мишени и подложки.

2. Коэффициент импульсной эрозии мишени из ОаАэ и его разброс, уменьшаются при увеличении числа импульсов воздействия ионного пучка, вследствие изменения морфологии поверхности мишени и модифицирования поверхностного слоя предыдущими импульсами тока.

3. Плёнки 1пР, осаждённые из абляционной плазмы, формируемой импульсным ионным пучком, сохраняют стехиометрию объёмной мишени и являются поликристаллическими со средним размером кристаллита 8-9 нм.

4. Рельеф поверхности плёнки ваАэ, осаждённой из абляционной плазмы сглаживается, при нагреве подложки выше 200°С.

5. Обнаружено формирование регулярной структуры на поверхности мишени из ваАз при воздействии более 20 - 40 импульсов тока пучка. Размер области когерентного рассеяния в поверхностном слое мишени, толщиной до 6 мкм, составляет величину 20±10 нм.

6. Половинный угол разлета абляционного материала ОаАэ на полувысоте максимальной толщины пленки составляет величину 0/2 = 12°±2°, при расстоянии от мишени - 10 см. Эта величина значительно меньше, чем для металлических мишеней.

7. Многослойные пленки ваАБ с толщиной каждого слоя 1-5нм, осажденные из абляционной плазмы, достигают максимальной фоточувствительности при вакуумном отжиге до температуры 600-700К и имеют спектральную фоточуствительность: 1ту=1.2 - 4.0 эВ.

Проведённые исследования позволили установить новые закономерности импульсной эрозии полупроводниковой мишени ОаАв, впервые показана возможность осаждения пленок InP из абляционной плазмы, исследованы электрофизические свойства плёнок GaAs.

Количественные данные результатов экспериментальных исследований коэффициента импульсной эрозии GaAs, половинного угла распространения абляционного материала GaAs, толщины осаждаемой пленки за один импульс составляют научно-техническую основу разработки опытного процесса синтеза полупроводниковых пленочных структур для солнечных фотоэлектрических преобразователей.

Результаты экспериментальных исследований использованы в подготовке курса лекций «Получение и применение пучков заряженных частиц».

В заключение выражаю благодарность научному руководителю д.т.н. Г.Е. Ремневу за стимулирование, руководство и постоянный интерес к данной работе; д.ф.-м.н. Кабышеву A.B., д.ф.-м.н. Ивонину И.В., д.ф.-м.н., с.н.с. Найдену Е.П. за плодотворные дискуссии при выполнении экспериментов и обсуждении полученных результатов, всему коллективу лаборатории № 1 НИИ ВН за постоянную помощь в работе.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Салтымаков, Максим Сергеевич, 2010 год

1. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Пащенко В.П. Тепломассоперенос в твёрдом теле под действием мощных пучков заряженных частиц. / Новосибирск: Наука, 1999, 176 с.

2. Бойко В.И., Скворцов В.А., Фортов В.Е., Шаманин И.В. Взаимодействие импульсных пучков заряженных частиц с веществом / М.: ФИЗМАТИЗДАТ, 2003, 288 с.

3. Грибков В.А., Григорьев Ф.И., Калинин Б.А., Якушин B.JI. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов: Под ред. Калинина Б.А. /М.: Круглый год, 2001, 528 с.

4. Новодворский О.А., Храмова О.Д., Венцель К., Барта Й.В. Размерные эффекты статической проводимости в тонких плёнках тантала // ЖТФ. Т. 75,-№6. С. 42-44.

5. Кононенко T.B., Конов В.И., Лубнин E.H., Даусингер Ф. Импульсное лазерное напыление твёрдого углеродного покрытия при атмосферном давлении // Квантовая электроника. 2003. — Т.ЗЗ. - №3. С. 189 - 191.

6. Mitsuyu Т., Ono S., Wasa К. // J. Appl. Phys. 1980. - Vol.51. - №2646

7. Wenas W.W., Yamada A., Takahashi K. // J. Appl. Phys. 1991. - Vol.70. №7119.

8. Li Y., Tompa G.S., Liang S., Gorla C., Lu Y., Doyle J. // J. Vac. Sci. Technol. -1997.-Vol.16. №1063.

9. Singh A.V., Mehra R.M., Buthrath N., Wakahara A., Yoshida A. // J. Appl. Phys. -2001.-Vol.90. №5661.

10. Андреев B.M., Грилихес B.A., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения / Л.: Наука, 1980,-310 с.12.15,16,17,18