Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт)

На правах рукописи

ПИСЬМЕНСКИЙ Максим Васильевич

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ ИОННО-ЛУЧЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ

05.27.06 - технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск 2006

Работа выполнена на кафедре электротехники и автоматики факультета Волгодонского института Южно-Российского государственного технического университета (НПИ).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Сысоев Игорь Александрович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Трипалин Александр Сергеевич,

кандидат физико-математических наук

Папков Игорь Петрович.

Ведущая организация: НИИ Физики Ростовского

государственного университета.

Защита состоится “16” февраля в 10 часов на заседании диссертационного совета К 212.304.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук в Южно-Российском государственном техническом университете (НПИ) по адресу: 346428 Ростовская область, г. Новочеркасск ул. Просвещения, 132, Ученому секретарю Совета

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (НПИ)

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 346428 Ростовская область, г. Новочеркасск ул. Просвещения, 132, Ученому секретарю Совета.

Автореферат разослан “ ” января 2006

Ученый секретарь

Д иссертационного Совета к.т.н., доцент Горшков С.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Способ локального осаждения из пучков низкоэнергетических ионов выделяется возможностью контроля и управления важнейшими параметрами потока осаждаемых частиц (энергия, плотность потока, состав и др.). Это позволяет получать пленочные материалы с определенной топологией и заданными свойствами и структурой, обладающие повышенной адгезией к подложке, а также квантово-размерные структуры, использование которых является перспективным. Другой отличительной особенностью данного метода является возможность реализации технологической обработки пластины в замкнутом цикле, что исключает нарушающее воздействие внешней среды, исключает необходимость создания условий дорогостоящей чистой комнаты и позволяет полностью автоматизировать процессы обработки, поскольку все управление установкой можно осуществлять путем изменения соответствующих электрических величин.

Ионное осаждение, возможно, проводить как сфокусированным пучком, для получения локальных структур, так и пучком, разведенным в растр, если необходимо нанесение слоев большой площадью. С помощью ионного осаждения можно получать слои самых различных элементов: полупроводников, металлов, оксидов, нитридов. С точки зрения изготовления приборов важно то, что одним и тем же методом можно в принципе последовательно осаждать полупроводниковые, изолирующие и металлические слои в чистых вакуумных условиях.

Ионно-лучевая технология позволяет применять наиболее эффективный и качественный метод тонкой очистки поверхностей от загрязнений ― ионную бомбардировку, при которой происходит распыление поверхностных слоев мишени. Происходит очистка поверхности подложки, контактировавшей с окружающей средой, удаляются загрязнения вызванные адсорбированными атомами газа, слоем естественного окисла, атомами и молекулами, данный процесс эффективен и не требует больших энергетических затрат.

Вариацией энергии падающих на подложку ионов в технологической камере могут проводиться различные операции: очистка подложки, синтез сложных соединений, осаждение различных тонкопленочных структур на разные типы подложек. Основной отличительной особенностью разрабатываемой технологии является ее универсальность и перспективность.

К началу выполнения данной работы в литературе имелась информация о получении тонкопленочных слоев, методом лучевого

осаждения, но сведения по данным технологиям весьма ограничены. Подобных сведений о технологии и оборудовании ионно-лучевого получения тонкопленочных солнечных элементов практически нет. В связи с этим тема данной работы актуальна с научной точки зрения и практически значима.

Цель и задача диссертационного исследования.

Целью данной работы является: проектирование и апробация функциональных узлов экспериментальной установки ионно-лучевого осаждения. Расчет параметров распыления и осаждения материала, управления ионным пучком. Изготовление экспериментального образца установки ионно-лучевого осаждения, реализующей в едином технологическом пространстве процессы получения пленочных полупроводниковых, диэлектрических слоев и металлических контактов. Получение и исследование основных параметров пленочных структур ионного осаждения на изолирующих подложках.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

• конструирование и апробация технологического оборудования ионно-лучевого осаждения;

• расчет и исследование параметров распыления вещества в среде инертных газов;

• расчет и исследование параметров управления ионным пучком опытного образца экспериментальной установки ионно-лучевого осаждения;

• расчет и исследование процесса осаждения из ионного пучка;

- разработка практических рекомендаций по оптимизации технологии получения тонкопленочных слоев методом осаждения из пучков низкоэнергетических ионов.

Научная новизна.

Предложена конструкция ионного источника совмещенного типа для получения ионного пучка с несколькими типами ионов. Рассмотрены конструктивные особенности источника ионов, устройств управления ионным лучом. Исследования проводились для Al, Si, As, Ti, Pd, используемых для получения тонкопленочных солнечных элементов.

Разработана конструкция установки ионно-лучевого осаждения, основанная на независимой системе откачки из ионного источника и рабочего пространства. Произведен расчет и предложен оптимальный алгоритм работы функциональных узлов опытного образца экспериментальной установки ионно-лучевого осаждения [1].

Предложена и разработана конструкция гетероионного насоса, позволяющий получать безмасляный вакуум при давлении не хуже 10^-5 Па.

Получены и исследованы концентрационные зависимости скорости осаждения от ионного тока и радиуса ионного пучка применительно к разработанной конструкции совмещенного ионного источника.

Рассмотрены конструктивные особенности функциональных узлов вакуумной системы установки ионно-лучевого осаждения. Произведен расчет производительности вакуумной системы и исследованы основные параметры вакуумной системы.

Практическая значимость результатов исследования.

На основе разработанного метода ионно-лучевого осаждения был изготовлен опытный образец установки ионно-лучевого осаждения.

С помощью разработанного ионного источника совмещенного типа были получены ионные пучки, как с ионами одного типа, так и с ионами различных типов в одном пучке при концентрации ионов до 10¹⁵ ион/см². Конструктивные особенности источника ионов, позволяют в широких пределах управлять параметрами ионного пучка.

В разработанной конструкции установки ионно-лучевого осаждения, используется независимая откачка, как из ионного источника, так и из рабочего пространства вакуумной камеры.

Разработанная конструкция гетероионного насоса, позволяет эффективно получать безмасляный вакуум в рабочей камере, что значительно повышает качество получаемых полупроводниковых, диэлектрических и металлических пленок.

Исследован процесс осаждения тонкопленочных слоев на диэлектрическую подложку, адгезия пленки к подложке таких слоев, как Ti, Al, Si. Разработана технология легирования слоев кремния при ионно-лучевом осаждении, как p-типа, так n-типа на основе проведенных расчетов и экспериментальных исследований.

Разработан процесс осаждения металлической многослойной (Pd-Al) гребенки на полупроводниковый слой Si. Рассчитаны и проведены основные экспериментальные параметры процесса.

Проведенные эксперименты показывают удовлетворительную сходимость результатов расчета осаждения тонких пленок и экспериментальных данных.

Достоверность научных положений и результатов исследования.

Достоверность результатов обеспечивается использованием хорошо зарекомендовавших себя аналитических и численных методов математики, физики, физической химии, строгой обоснованностью приближений в

процессе расчета распыления материала в плазме, управления ионным лучом, осаждения поликристаллических тонкопленочных слоев.

Основные научные положения выносимые на защиту:

1. Спроектирован и изготовлен экспериментальный образец установки ионно-лучевого осаждения реализующей в едином технологическом пространстве процессы получения пленочных слоев и нанесение металлизации контактов в локальные области для создания топологического рисунка.

2. Изготовлен комбинированный источник ионов для установки ионно-лучевого осаждения, в котором возможно получать, как один тип ионов, так и несколько разных типов ионов в одном пучке. [2].

3. Разработана и изготовлена независимая система откачки вакуумной установки ионно-лучевого осаждения, что позволяет поддерживать необходимое давление в требуемом месте установки.

4. Разработаны и изготовлены гетероионные насосы для получения соответствующего вакуума в рабочем пространстве источника ионов, и рабочем пространстве вакуумной камеры, где происходит осаждении тонких пленок [6].

5. Исследован процесс осаждения тонкопленочных слоев на подложке из диэлектрических материалов (кварцевого стекла, возможно, использование обычного оконного стекла) [2,3].

6. Разработана ионно-лучевая технология получения легированных тонкопленочных слоев p–типа и n-типа, осаждения многослойной структуры металлической гребенки, позволяющая получать дешевые тонкопленочные поликристаллические солнечные элементы с достаточно высоким КПД не менее 10 %.

Апробация и внедрение результатов исследования.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IV международной научно-технической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими» (Новочеркасск, 2004), IV международной конференции «Опто; наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, УлГУ, 2004), V международной конференции ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2004), V международной конференции ученых и студентов  «Актуальные проблемы современной науки: Естественные и медицинские науки» (Самара, 2004), Девятой международной технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморск, 2004), IV международной научная конференция «Химия твердого тела и

современные микро и нанотехнологии» (Ставрополь СевКазГТУ, 2004), V международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2004), в журнале «Известия вузов Северо-Кавказкого региона Технические науки» (Прил. №9), а так же на конференциях и совещаниях, семинарах лаборатории «ЭиА» ВИ ЮРГТУ.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 24 печатных работы, в которых изложены основные положения диссертации. Основные результаты работы получены автором самостоятельно.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, содержит 151 печатных страниц текста, 63 иллюстраций, 6 таблиц. Список литературы включает 113 наименований.

Основное содержание работы

Во введении дается краткая характеристика работы, в частности, обосновывается актуальность темы, цель и задачи исследования, новизна работы, и ее достоверность, научная и практическая ценность, перечисляются основные положения, выносимые на защиту, отмечается апробация работы.

Глава 1 содержит обзор литературных источников, раскрывающих проблематику диссертации. Проведен критический анализ теоретических и экспериментальных работ, посвященных методу ионно-лучевого осаждения, их свойствам и возможностям применения. Подробно рассмотрены виды солнечных элементов преимущества и недостатки каждого из видов солнечных элементов. Показаны преимущества тонкопленочного поликристаллического солнечного элемента. Рассмотрены технологии получения солнечных элементов их достоинства и недостатки. Показаны преимущества метода ионно-лучевого осаждения при получении тонкопленочных поликристаллических солнечных элементов. Обоснованы и сформулированы основные задачи исследования.

Глава 2 посвящена расчету процесса распыления материала при воздействии ионами инертных газов в плазме, расчету функциональных узлов и систем управления ионным лучом [4]. Произведен феноменологический анализ процессов распыления.

На основе расчета процесса распыления был разработан ионный источник. Ионный источник спроектирован таким образом, что позволяет

получать многокомпонентную плазму [4]. Для предотвращения утечки плазмы по объему рабочей камеры, применен концентратор плазмы представляющий собой конус из металла. На рис. 1. Для изменения сечения ионного пучка был проведен расчет системы фокусировки ионного луча. При расчете системы принималось, что диаметр пучка должен быть равным или меньше входного диаметра представлено схематическое изображение источника ионов.

1-откачка газа из накопителя плазмы. 2-электрод. 3-распыляемое вещество. 4-ускоритель первой ступени. 5-первичная область фокусировки и сканирования луча. 6-корпус ионного источника. 7-откачка газа из ионного источника. 8-тигель. 9- подача инертного газа ионизатор. 10-накопитель плазмы.

Рис. 1 Принципиальная схема ионного источника.

Исходя из этого условия были найдены зависимости фокусного расстояния от разности потенциалов для различных энергий ионов в пучке. Спроектированные устройства фокусировки установки ионно-лучевого осаждения позволяют получать тонкие слои из пучков ионов, изменяя разрешение осаждения.

За основу была взята электростатическая система. Она достаточно проста в обслуживании, обладает малым энергопотреблением и хороша в вакуумных условиях.

В изготовленном устройстве сканирования для установки ионно-лучевого осаждения можно использовать напряжения порядка 100 В, при этом угол отклонения для большинства элементов будет равным порядка

30⁰ [5]. Основываясь из выше изложенных расчетах, можно привести основные характеристики устройства, такие как:

• скорость осаждения ионов 0,2 до 6 нм в секунду;

• энергия ионного пучка до 3000 эВ;

Перечисленные показатели позволяют создавать тонкопленочные слои для солнечных элементов и других полупроводниковых элементов с заданными параметрами.