1598005400-e4d976f05e65a6df0c91dae52ce6f965 (811206), страница 10
Текст из файла (страница 10)
ф х х а а а Ф Е « х Методы осаждения тонких пленок при выполнении вакуумного оборудования только из металла легко достигается сверхвысокий вакунм с давлением в диапазоне 1О-'...1О 'Па. Другая стандартная сверхвысоковакуумная система основана на применении ионно-распылительного насоса в сочетании с сорбционным и вспомогательным титановым сублимационным насосами. Криогенные насосы на жидком гелии, работающие по принципу замкнутого цикла, относятся к новым эффективным, но более дорогостоящим системам сверхвысокого вакуума. Следует отметить, что любая вакуумная система имеет индивидуальные особенности, связанные с характеристиками процесса откачки, уровнем вакуума и составом остаточных газов. При этом особенности каждой системы по-своему влияют на процесс конденсации тонких пленок (см. [2]).
Помимо испарителя вакуумная система должна быть снабжена многочисленными дополнительными устройствами. К ним относятся: заслонки, держатели подложек, планетарная система (для равномерного осаждения пленок большой площади), системы регулирования и контроля скорости осаждения и толшивы пленок. Дополнительное оборудование должно изготовляться из материалов, совместимых со сверхвысоковакуумной технологией, с учетом их способности к газоотделению и химическому взаимодействию с испаряемыми веществами. Контроль и управление скоростью осаждения пленок обычно осуществляются при помоши кристаллического кварцевого резонатора, ионизационного датчика или соответствующего масс-спектрометра.
Толщину пленки определяют путем интегрирования показаний датчика скорости осаждения и другими методами„ например применяя оптический датчик (при осаждении неметаллических пленок). В идеальном случае систему вакуумного осаждения следует оснастить аппаратурой для анализа структуры и состава пленок (см. раздел 2.2.2.2). Ввиду того что вспомогательное оборудование играет важную роль в получении пленок с требуемыми свойствами, необходимо детальное знание этого оборудования. Мы настоятельно рекомендуем читателям обращаться к работам (1 — 4), где данные вопросы рассмотрены более подробно.
2,2.2 Эпитаксиапьное осаждение В силу ряда характерных особенностей процесса осаждения (таких, как очень сильное пересыщение паров, специфика кинетики конденсации, резкое изменение скорости испаряемых атомов при переходе в адсорбированное состояние) тонкие пленки по своей основе являются термодинамически неравновесными структурами.
Вследствие этого они неизбежно имеют мелкозернистую структуру и содержат большое количество «замороженных» структурных дефектов. Для изготовления солнечных Глава 2 48 элементов требуются монокристаллические пленки и в крайнем случае пленки, содержащие крупные ориентированные. зерна нли мозаичные монокристаллы. Что касается мелкозернистых пленок, то необходимо разработать способы пассивации границ зерен для устранения их воздействия на процессы рекомбинации носителей заряда. При разумном выборе параметров процесса осаждения с учетом свойств конкретных материалов тонкой пленки и подложки легко получить пленки с крупными (-1 мкм) ориентированными зернами.
При использовании соответствующей моно- кристаллической подложки происходит эпитаксиальный рост мозаичных кристаллов размером в пределах нескольких десятков микрометров с малоугловыми границами между блоками мозаики. Вакуумное осаждение в наибольшей степени подходит для получения эпитаксиальных пленок, однако из-за необходимости разработки дешевых высокоэффективных солнечных элементов большой площади объем исследований эпитаксиальных пленок для солнечных элементов в настоящее время ограничен изучением фундаментальных вопросов и получением пленок для солнечных элементов специального назначения, например для работы при концентрированном излучении и в каскадных системах. Некоторые из применяемых методов вакуумного осаждения рассмотрены в следующих разделах.
2.2.2Д Зпитансиальное осаждение методом «горячих стенок» и При использовании этого метода (8] пары, получаемые с помощью одного или двух кольцевых испарителей, переносятся в объеме, ограниченном нагретой цилиндрической оболочкой, которая имеет более высокую температуру, чем подложка. В результате на подложку осаждается гомогенизированная многокомпонентная смесь паров, находящаяся в равновесном состоянии. Этот метод применяется для получения высококачественных эпитаксиальных пленок ряда соединений элементов хтг — 'тг! и (! — Ч! групп периодической системы. 2.2.2.2 Молекулярно-лучевая эпитаксия Молекулярно-лучевой эпитаксией называется метод выращивания эпитаксиальной пленки на монокристаллической подложке посредством конденсации одного илн нескольких направленных пучков атомов (а в определенных случаях — и молекул), нспаряемых из источника с узким отверстием для выхода о Данный метод позволяет (благодаря отражению паров вещества от нагретых стенок) создать повышенное давление в рабочем объеме, поэтому для обозначения этого метода нанесения пленок во многих работах применяется термин «испареяие в квазизамкиутом объеме», — Прим, ред.
Методы оеежденин тоннин ппенон паров в сверхвысоковакуумной системе. Пучок паров низкой плотности получают с помощью точечного испарителя, внутри которого пары находятся под высоким давлением. Молекулярно-лучевая эпитаксия относится к низкоскоростным методам осаждения, однако важное достоинство этого метода состоит в том, что он позволяет осуществлять весь комплекс исследований, требующих условий сверхвысокого вакуума, н получать информацию о структуре, топографии, элементном составе, распределении элементов и о химическом состоянии поверхности пленки в процессе ее роста.
Установка для молекулярно-лучевой эпитаксии может содержать масс-спектрометр с квадрупольным фильтром масс для анализа состава паровой фазы, ионный источник, масс-спектрометр для исследования вторичных ионов, сканирующий оже-микроанализатор, а также аппаратуру для изучения пленок методами электронной спектроскопии для химического анализа, дифракцин медленных и быстрых электронов.
Поддерживая скорость осаждения на низком уровне (<0,1 нм/с) и используя сверхчистые подложки, можно выращивать эпитаксиальные пленки с высокой степенью совершенства структуры при относительно низкой температуре подложки. При осаждении многокомпонентных соединений возможны в буквальном смысле послойный контроль н управление процессами конденсации и химического взаимодействия различных адсорбированных атомов. Очень низкие скорости осаждения при молекулярно-лучевой эпитаксии позволяют получать многослойные структуры на основе одного или нескольких материалов с заранее предусмотренной последовательностью слоев, имеющих толщину примерно от 1 нм до нескольких микрометров, благодаря чему возможно создание сверхрешеток, гетероструктур, гетеропереходов и структур с плавно изменяющимися составом или свойствами. Формирование структуры может быть завершено осаждением слоя материала с необходимыми свойствами, обеспечивающего пассивацию, защиту поверхности или изменение работы выхода.
Помимо этого посредством использования соответствующих масок и заслонок или путем «вычерчивания» заданного рисунка с помощью сфокусированного узкого (диаметром -1О мкм и менее) пучка пара можно получать пленки с объемным рельефом. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии, требующий применения сложного дорогостоящего оборудования, в основном используется для проведения фундаментальных исследований процесса эпитаксиального осаждения и в некоторых областях микроэлектроники.
Несомненно, представляет интерес идея использования сфокусированных пучков пара, процесс конденсации которых можно регулировать, для изучения многопереходных солнечных элементов новой структуры или нового типа. 50 Гпввв 2 Метод молекулярно-лучевой эпитаксии и его упрощенные модификации широко применяются для осаждения соединений элементов П вЂ” Ъ'! и П1 — тт групп, в частности трехкомпонентных соединений на основе ОаАз (например, А!, „Са,Аз, 1п, ОаэАз и ОаЯЬ1 вАзв) и гетероструктур, в состав которых входят четырехкомпонентные соединения (Ста„!п1 „Аз„Р, „— !пР). С помощью молекулярно-лучевой эпитаксии получают солнечные элементы со структурой Оа, „А!,Аз — ОаА5. Этот метод и области его применения рассмотрены Эсаки и Чангом [9] и Артуром [1О].
2.2.2.3 Грвфоэпитвксия Пленки, осаждаемые из паровой фазы на аморфные подложки, обычно имеют поликристаллическую структуру. При соответствующих условиях осаждения могут быть получены частично текстурированные пленки, т. е. пленки с предпочтительной ориентацией зерен. Недавно Смитом и др.[11, !2] было установлено, что при создании на аморфных подложках (в данном случае из 810э) поверхностного рельефа в виде регулярно расположенных штрихов с определенным периодом и профилем в осажденных текстурированных пленках (рассматривалпсь пленки 81), которые повторяют рельеф подложки, в результате рекристаллизации под действием лазерного излучения (6 Вт) зерна приобретают преимущественную ориентацию. При этом направление выделенной оси текстуры совпадает с направлением штрихов. Согласно результатам, полученным исследовательской группой лаборатории им.
Линкольна, расстояние между штрихами не должно быть больше характерного размера зерен осаждаемой пленки. При создании методом фотолитографии на подложке из 8!Оь покрытой слоем хрома, микрорельефа с периодом 3,8 мкм и профилем квадратной формы у пленок кремния толщиной 500 нм, получаемых методом химического осаждения из паровой фазы, кристаллографическая плоскость (100) параллельна подложке, а направления (001> параллельны направлению штрихов. Для создания пленки с плоскостью текстуры (П1) потребовалась бы подложка со сложным для игзотовления рельефом пилообразной формы. Метод графоэпитаксии пока представляет лишь академический интерес, и вопрос о направлениях его практического применения остается открытым, тем не менее он привлекает внимание возможностью получения для солнечных элементов кристаллических пленок большой площади путем осаждения паров кремния на аморфные подложки из углерода и других электропроводящих материалов с поверхностным рельефом, создаваемым методом рентгеновской литографии.
51 Методы осажДения тонких пленом 2.2.3 Методы ионного распыления" Для получения паровой фазы можно использовать химически инертные ионы достаточно высокой энергии, которые способны выбивать частицы вещества при бомбардировке поверхности мишени (катода). Этот процесс, называемый ионным распылением, происходит в результате передачи импульса налетающих ионов частицам поверхности мишени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
