Диссертация (1143290), страница 30
Текст из файла (страница 30)
При обработке пленки лазерным излучением мощностью 90 Вт формируется зернистая структура. На рисунке 5.32, б диаметр зерна составляет 654 ±187 нм, шероховатость поверхности – 87 нм, высота пиков – 776 нм. При обработке пленки лазерным излучением мощностью 50-70 Вт зернистая структура пленкипрактически отсутствует. Таким образом, мощности лазерного излучения порядка90 Вт достаточно для формирования кристаллических зерен, улучшения качестваповерхности пленки, что позволяет модифицировать электрофизические и оптические характеристики.205а)в)д)б)г)е)Рисунок 5.32 – АСМ-изображения (3D и 2D) пленки Fe2O3 при мощности ла-зерного излучения 90 Вт (а, б), 70 Вт (в, г) и 50 Вт (д, е)На рисунке 5.33 приведена зависимость влияния мощности лазерного излу206чения (длина волны 1064 нм) на высоту пиков поверхности пленки Fe2O3. Показано, что увеличение мощности лазерного излучения приводит к уменьшению шероховатости поверхности пленки Fe2O3.Рисунок 5.33 – Влияние мощности лазерного излучения на высоту пиков поверхности пленкиФазовое АСМ-изображение (рисунок 5.34) показывает распределение относительной величины сбоя фазы кантилевера в области сканирования, совпадающейс топографическим АСМ-изображением.
Важным применением фазовой методикиАСМ является возможность идентификации химических соединений на поверхности, также она позволяет расширить возможности визуализации поверхностныхдефектов.a)б)Рисунок 5.34 – Фазовый контраст для образца, обработанного при мощностилазерного излучения 90 Вт207Из анализа АСМ-изображения фазового контраста следует, что пленка оксида железа, обработанная лазерным излучением мощностью 90 Вт, имеет однородную и зернистую структуру по сравнению с исходной.Исследования поверхности пленки Fe2O3 на сапфировой подложке проводились методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) также в Институте кристаллографии им.
А.В. Шубникова Российской Академии Наук (г. Москва). В связи с тем,что поверхность образца заряжается под электронным пучком, то применение метода электронной дифракции не представляется возможным.Проведено исследование образца пленки Fe2O3 с целью АСМ-визуализацииповерхности и оценки толщины пленки. АСМ-изображения поверхности пленкиFe2O3 на сапфировой подложке, полученной при мощности излучения 90 Вт, представлены на рисунке 5.35.а)б)Рисунок 5.35 – АСМ-визуализация поверхности пленки Fe2O3 на поверхно-сти сапфира: a) 3D – изображение; б) 2D – изображениеИз рисунка 5.36 видно, что рельеф пленки сильно развит для АСМ (шероховатость поверхности 300 – 600 нм в зависимости от точки образца, площади и шагасканирования).Для сравнения был исследован участок подложки без пленки (рисунок 5.36,а).
Обнаружено, что шероховатость поверхности подложки также очень высока (те208же 300 – 600 нм в зависимости от точки). В большинстве случаев максимальногодиапазона прибора по координате Z (5 мкм) не хватало (рисунок 5.36, б), так каксказывались большая шероховатость поверхности и присутствующий постоянныйнаклон. Вероятность корректного определения толщины пленки с помощью АСМв таком случае затруднительно.а)б)Рисунок 5.36 – Изображение поверхности сапфираЛазерным отжигом получены и исследованы различные оксидные пленки насапфировой и стеклянной подложке, в частности пленки диоксида титана (TiO2),оксида железа (Fe2O3), которые могут найти широкое применение в качестве газочувствительных материалов для химических сенсоров.На рисунке 5.37 представлено изображение морфологии поверхности пленкиTiO2 на поверхности сапфира.
Пленка была получена обработкой суспензии на основе частиц TiO2 со связующим веществом мощностью лазера 70 – 80 Вт.Рисунок 5.37 – Морфология поверхности пленки TiO2 на поверхности сапфира209Таким образом, в результате проведенных экспериментов установлено, что:1. Лазерное воздействие на структуру пленки Fe2O3 на сапфире позволяетмодифицировать ее кристаллическую структуру.2. В зависимости от параметров лазерного излучения можно достигатьулучшения качества поверхности пленки за счет рекристаллизации аморфных слоев.
В частности, воздействие лазерного излучения мощностью порядка 90 Вт напленку Fe2O3 приводит к получению размеров кристаллитов Fe2O3 порядка 700 нм.3. Лазерный отжиг пленок на поверхности сапфира является методом создания микроструктур (пленок Fe2O3, TiO2 на поверхности сапфира) с характернымиразмерами, которые требуют дальнейшего детального изучения их свойств и перспектив применения в тонкопленочных транзисторах, дисплеях, сенсорах и солнечных элементах.4. Технология создания полупроводниковых пленок с применением лазерапозволяет стимулировать их взаимодействие с определяемым газом и может бытьиспользована для чувствительных элементов сенсора газа.5.5 Экспериментальные исследования осаждения поликристаллическогокремния на сапфировую подложку для интегральных схем микроэлектроникиВ последнее время широкое развитие находит нано- и поликристаллическийкремний при создании специализированных интегральных схем, различныхустройств солнечной энергетики, микро- и наносистемной техники.
Большая область применения определяет важность контроля физических и электрическихсвойств пленок кремния, которые во многом зависят от структуры, типа и размеразерен, формируемых при их получении.В настоящее время востребованными являются подложки на основе оксидаалюминия (Al2O3). Сапфировые подложки используются для изготовления интегральных схем, светодиодов, что связано с их радиационной стойкостью, возмож210ностью работы при высоких температурах и механических нагрузках, возможностью получения подложек больших размеров. Для эпитаксии полупроводниковыхматериалов (Si, GaN, AlGaN и многих других) сапфировые подложки применяютдаже тогда, когда параметры решетки не совсем совпадают с параметрами гетероэпитаксиальных структур.
Физические свойства подложек сапфира, используемыхдля гетероэпитаксиальных пленок [187, 251], представлены в таблице 5.4. Благодаря набору данных свойств сапфировые подложки находят широкое применениедля производства интегральных схем, светодиодной техники, газовых датчиков,позволяя улучшить качественные характеристики электронных приборов.Таблица 5.4 – Физические свойства сапфира, используемого для гетероэпитаксиальных пленок [251]ПараметрПлотность, г/см3Твердость по МоcсуМодуль упругости, ГпаТемпература плавления, 0СТоксичностьAl2O33,9893502050Устойчив в кислых и щелочных средахХорошо шлифуется, полируется, образуя зеркальнуюповерхностьНе токсиченПожароопасностьНе пожароопасенРастворимостьОбрабатываемостьВзрывопасностьНе взрывоопасенМаксимальная температура применения, С01850 – 1920Для получения пленок кремния использовался метод плазмохимическогоосаждения из газовой фазы (ПХО).
Применение газоразрядной плазмы для разложения реакционного газа на активные радикалы позволяет управлять процессамиразложения в разряде и дает возможность получать пленки методом ПХО при температурах менее 700 0С и больших скоростях осаждения порядка 2 нм/с, чем в ана211логичных процессах химического осаждения из газовой фазы с термическим разложением реакционного газа (0,8 нм/с) [252-254]. При таких температурах осаждения сводится к минимуму влияние различий в коэффициентах теплового расширения кремния и сапфира и сокращается плотность дефектов в полученных пленках.Малая термическая чувствительность скорости ПХО позволяет получить однородность свойств получаемых пленок.
Для получения кремния с требуемыми свойствами методом ПХО необходимо определить значимые технологические параметры и управлять ими в процессе осаждения.Целью данной работы является исследование термоупругих напряжений впленках поликристаллического кремния, полученных методом плазмохимическогоосаждения, на сапфировой подложке, которая служит основой для изготовлениярадиационно-стойких интегральных схем, что является важным для космическойпромышленности и атомной энергетики. Диэлектрическая подложка (сапфир) позволяет практически исключить токи утечки приборов и уменьшить энергопотребление.В качестве подложки использовали сапфировую пластину площадью1×1 см2, толщиной 3 – 5 мм.
После очистки пластин проводили плазмохимическоеосаждение пленки оксида кремния (SiOx) толщиной 100 – 200 нм (PlasmaLab 100,Oxford Instruments) при температуре 350°С, мощности разряда 10 Вт, в потоке смеси газов (Ar:SiH4:NO2) при давлении в камере 1 мм рт. ст. Затем, этим же методомполучали слои поликристаллического кремния (Si*) толщиной 500 – 600 нм [254].Осаждение проводили при температуре 650 – 700°С, мощности 10 Вт, давлении вкамере 1 мм рт. ст., при котором поток смеси газов поддерживался на уровне500 см3/мин (Ar:SiH4 9:1).Полученные образцы исследовались методами стилусной профилометрии(AlphaStep D-100, KLA Tencor, США) и атомно-силовой микроскопии (зондоваянанолаборатория Ntegra, НТ−МДТ, Россия) [254]. Статистическую обработку данных атомно-силовой микроскопии (АСМ) производили с применением программного пакета Image Analysis 3.5.
Результаты исследований (рисунок 5.38 – 5.40) по212казали, что полученные пленки кремния однородны, при этом значения диаметракристаллов находятся в диапазоне до 200 – 250 нм. Среднеквадратичная шероховатость поверхности пленки по данным профилометрии составила 13,16 ± 0,88 надлине 2 мм (рисунок 5.38). Размах высот и среднеквадратичная шероховатость наполе 5×5 мкм2 (рисунок 5.39) составили 16,2 ± 2,1 нм и 1,8 ± 0,2 нм, соответственно. Отмечается, что с ростом температуры процесса осаждения от 650 до 700°Сувеличивается диаметр кристаллитов.Проведено исследование влияния дефектов сапфировой подложки на качество получаемых пленок на ее поверхности.
Объемные дефекты исходной подложки типа «пустот», вскрытые шлифовкой и полировкой, декорировались пленкойкремния в виде полусферы диаметром единицы микрометров (5,4 мкм на рисунке5.40) и высотой до 500 – 700 нм.Рисунок 5.38 – Профили поверхности образцов: 1 – исходной подложки, 2 –пленки SiOx на подложке, 3 – пленки Si* на структуре SiOx/подложкаб)а)Рисунок 5.39 – АСМ-изображения поликристаллической пленки кремния наподложке сапфира213Рисунок 5.40 – Морфология пленки Si* на дефекте подложкиБыли раcсчитаны термоупругие напряжения в структуре пленка-сапфир,позволяющие оценить зависимость термоупругих напряжений в пленках от температуры осаждения и толщины пленки на сапфировой подложке в программеANSYS, использующей метод контрольных элементов.Термоупругие напряжения в пленках рассчитывались по формулам [255259]:Tdf где E ef E f /(1 f ),E ef ( s f )dTTr1 4( E ef / E es )(h / H )Ees E s /(1 s ),,(5.16)E f , E s – модуль Юнга пленки и подложки; f , s – коэффициент Пуассона пленки и подложки; h, H – толщина пленки и подложки; f , s – коэффициент линейного расширения пленки и подложки;Tr– комнатная температура; T d – температура осаждения.Анализ выражения (5.16) показывает, что термоупругие напряжения, возни-кающие в пленке при плазмохимическом осаждении, определяются в основномсвойствами материала пленки и подложки, дефектами структуры, параметрамиплазмохимического осаждения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
