01 (Электронные лекции в формате DOC)

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ

ПЛЕНОК НЕКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

В приборах на основе некристаллических полупроводников последние, как правило, представляют собой тонкие пленки. При этом для получения качественных приборов необходимо, чтобы пленки некристаллического полупроводника обладали заданными свойствами. А метод получения обеспечивал бы воспроизводимость этих свойств от образца к образцу.

Исходя из этого, при производстве приборов на основе некристаллических полупроводников для получения тонких пленок этих материалов, как правило, используется один из следующих методов:

1. Термическое напыление в вакууме.

2. Ионно-плазменное распыление.

3. Осаждение из плазмы тлеющего разряда.

4. Осаждение из газовой фазы.

Следует отметить, что для разных групп некристаллических полупроводников, как правило, используются разные методы получения пленок. Так, в случае ХСП в основном используют термическое напыление и ионно-плазменное распыление. Для получения пленок a-Si:H и сплавов на его основе применяют осаждение из плазмы тлеющего разряда, осаждение из газовой фазы и реже ионно-плазменное распыление.

Рассмотрим сначала получение пленок ХСП.

Технологические особенности получения пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников

Наиболее простым методом является метод термического испарения в вакууме. Будем исходить из того, что сам метод Вам известен. Я имею в виду, что Вы представляете себе вакуумные установки, оборудование для создания и измерения вакуума, типовую внутрикамерную оснастку.

Поэтому мы остановимся на одном, но весьма важном для ХСП вопросе – на способах испарения напыляемого материала (или на конструкциях испарителей для ХСП).

1. Открытые испарители с прямым резистивным нагревом

Открытые испарители с прямым резистивным нагревом используются для испарения элементарных веществ с невысокой температурой плавления, а также устойчивых (не разлагающихся при нагреве) соединений.

Они представляют собой лодочку из тугоплавкого

металла (тантал, молибден), нагрев которой осуществляется

пропусканием через неё электрического тока.

В результате вещество, помещенное в лодочку плавится, испаряется (в вакууме) и пары оседают на размещенную над лодочкой подложку.

A

B

Однако указанным выше условиям удовлетворяет лишь небольшое число ХСП: из элементарных веществ можно назвать селен (Se), а из устойчивых химических соединений – стехиометрические материалы As₂Se₃ и As₂S₃. Подавляющее большинство ХСП по химическому составу являются двух- или многокомпонентными материалами. При нагреве эти материалы склонны к диссоциации, то есть разлагаются на компоненты. В довершению ко всему эти компоненты обладают сильно различающимися давлениями паров, а следовательно и различными скоростями испарения. В результате, если мы загрузим в испаритель некий материал состава

АВ, то, благодаря перечисленным выше свойствам, на

подложке мы получим пленку не состава АВ, а «сэндвич»

из его компонентов.

Иногда, правда, удается пленки таких двухкомпонентных материалов получить, используя рассматриваемые испарители. При этом используют разный ход температурных зависимостей давления lgP

насыщенных паров компонентов. Если такие

зависимости пересекаются при приемлемых

значениях температуры, то, проводя испарение при

температуре Т₁, удается получить одинаковые

скорости испарения обоих компонентов.

Однако при этом необходимо иметь в виду два обстоятельства. Во-первых, такой технологический процесс весьма нестабилен. А во-вторых – что такое приемлемая температура испарения? Иначе говоря: из каких соображений выбирается температура испарения при получении пленок некристаллических полупроводников?

Температура испарения выбирается из следующих соображений.

Во-первых, от температуры расплава в испарителе зависит давление паров, а следовательно, и скорость роста пленки. (Она не должна быть слишком малой или слишком большой).

T₁ T

Во-вторых, от этой температуры зависит вероятность разложения многокомпонентного материала на компоненты (диссоциация). Исходя из этого, проблему диссоциации и изменения химического состава пленки, казалось бы, можно решить, снижая температуру испарения. В пределе, можно испарять материал из твердого состояния (сублимация). Пусть пленка растет дольше, зато не будет проблем с изменением её химического состава. Но кроме производительности технологического процесса здесь возникает проблема, связанная с ещё одним фактором, исходя из которого выбирают температуру испарения.

В третьих, от температуры испарения зависит кинетическая энергия испаряемых, а следовательно, и осаждаемых на подложку частиц. С другой стороны, чем выше кинетическая энергия этих частиц, тем лучше сцепление пленки с подложкой, или тем лучше адгезия пленки. Понятно, что с точки зрения приборного применения это чрезвычайно важный параметр.

Таким образом, мы можем сделать следующее заключение. При данном методе получения пленок температура испарителя выбирается исходя из следующих факторов:

• скорость роста пленки;

• склонность к диссоциации испаряемого материала;

• адгезия пленки к подложке;

• существует и четвертый фактор: молекулярный состав пара, но о нем мы поговорим позже.

Перечисленные требования достаточно противоречивы. При изготовлении пленок многокомпонентных ХСП часто не удается выбрать температуру испарителя так, чтобы удовлетворить всем этим требованиям. Поэтому приходится использовать специальные методы испарения, которые мы сейчас и рассмотрим.

1. Методы дискретного (взрывного) испарения

Суть этой группы методов заключается в очень быстром (мгновенном) нагреве и испарении вещества, так чтобы вещество испарилось раньше, чем произойдет его диссоциация. Имеется ряд разновидностей в этой группе методов.

2-1. Испарение большим импульсом тока

С

Электрическая схема чрезвычайно проста:

конденсатор заряжается от источника, а затем

замыкается на испаритель. Через испаритель

проходит большой импульс тока, мгновенно

разогревая его до высокой температуры.

Однако, если при этом методе

использовать испаритель в виде открытой

лодочки, то при прохождении импульса тока

произойдет выбрасывание вещества из испарителя.

Причина: образование «паровой подушки».

Поэтому испаритель закрывают несколькими

крышками, с отверстиями, смещенными друг

относительно друга:

Недостаток данного метода: ограничение по толщине получаемых пленок.

2-2. Другая разновидность взрывного испарения – испаритель с вибробункером:

и

вибробункер

спаряемое вещество малыми порциями подается из вибробункера на нагретый испаритель. При контакте с испарителем малые порции вещества практически мгновенно испаряются. В отличие от предыдущего метода здесь возможно получение пленок заданной толщины.

испаритель

Однако, правильный подбор режима напыления весьма сложен: при недогреве происходит диссоциация вещества на испарителе, а при перегреве –брызговой эффект (из-за образования паровой подушки).

2-3. Решением этих противоречий является испаритель с непрерывной подачей испаряемого материала.

Идея заключается в том, чтобы подавать испаряемое вещество не сверху (как в предыдущем случае), а снизу. (Раздаточный материал, рис. 2-1).

Испаряемый материал (2) в виде цилиндра помещается в кварцевую трубу (3) и с помощью поршня (9) и пружины (11) прижимается к нагретому испарителю (1). В месте контакта с испаряемым материалом в испарителе сделаны отверстия, через которые и происходит испарение. Корпус (4), в котором находится кварцевая труба с испаряемым веществом, охлаждается водой с помощью охлаждающего контура (6).

На рисунке: 4 – верхняя часть корпуса; 5 – токовводы; 7 – гайка; 8 – основание; 10 – нижняя часть корпуса.

Таким образом, происходит разогрев и послойное испарение материала только с его верхней поверхности. При этом условия испарения не зависят от количества остающегося в испарителе материала.

Истечение паров испаряемого материала стационарно, а следовательно, состав пленки в процессе конденсации не изменяется.

Другой разновидностью дискретного напыления является:

2-4. Метод импульсного лазерного напыления

лазер

Суть метода заключается в испарении вещества

коротким мощным импульсом лазерного излучения.

При этом малые объемы вещества за времена 10^-7 – 10^-8с

нагреваются вплоть до миллиона градусов.

Особенностями данного метода являются:

• Возможность получения пленок тугоплавких материалов.

• Возможность очень высоких скоростей напыления (до 100 нм/с или 6 мкм/мин), при сохранении возможности точного контроля и управления толщиной пленки (по числу импульсов лазера).

• Сохранение практически идентичным соотношения компонентов в паре соотношению компонентов в испаряемом материале.

• Отсутствие нагрева деталей вакуумной установки и большей части объема испаряемого вещества (снижение загрязнения получаемой пленки).

• Перевод испаряемой порции вещества в состояние плазмы вследствие его взаимодействия с лазерным излучением и высокой температуры. Осаждение пленки из плазмы.

• Возможность получения сверхтонких пленок (от одиночных импульсов) и сверхрешеток.

• Серьезный недостаток: наличие «брызгового» эффекта.

2-5. Электронно-лучевое напыление

Хронологически этот метод был развит ранее лазерного напыления. Метод близок к последнему по характеристикам, но более сложен с точки зрения аппаратного исполнения: электронную пушку необходимо помещать в вакуумную камеру.

Другой группой методов, используемых для получения пленок ХСП, являются:

1. Методы испарения из квазизамкнутого объема

Одним из путей решения противоречия между необходимостью понижения температуры испарения для уменьшения диссоциации многокомпонентных материалов и необходимостью повышения этой температуры для улучшения адгезии получаемой пленки к подложке, является применение испарителей с квазизамкнутым объемом.