- •Технология получения тонкопленочных структур для оптоэлектроники на основе опытной установки ионно-лучевого осаждения
- •Новочеркасск 2006 оглавление
- •Введение
- •Глава 1 обзор литературы и проблематика работы
- •1.4. Постановка задачи исследования
- •1.5 Вывод
- •Глава 2 процесс осаждения из ионого пучка и расчет основных параметров ионно-лучевой установки
- •2.1 Методика распыления вещества в плазме.
- •2.2 Источник ионов
- •2.3 Система формирования и управления ионным пучком
- •2.3.1 Система экстракции
- •2.3.2 Система фокусировки
- •2.3.3 Система сканирования
- •2.4 Нанесение покрытия управляемым ионным пучком
- •2.5 Вывод
- •Глава 3 особенности вакуумной системы для ионного осаждения
- •3.1 Вакуумные параметры системы.
- •3.2 Система откачки вакуумной арматуры установки.
- •3.3 Система управления вакуумными насосами
- •3.4 Вывод.
- •Глава 4 Расчетные и экспериментальные параметры тонких пленок и структур, полученные с помощью ионно-лучевого осаждения
- •4.1 Физические принципы осаждения тонких пленок
- •4.2 Математическая модель расчета физико-механических свойств покрытий и экспериментальные данные образцов ионно-лучевого осаждения.
- •4.3 Расчетные и экспериментальные данные получения омических контактов, полупроводниковых слоев и металлической гребенки при ионно-лучевом осаждении.
- •4.6 Вывод
- •Список используемой литературы
4.2 Математическая модель расчета физико-механических свойств покрытий и экспериментальные данные образцов ионно-лучевого осаждения.
Теоретическое описание качественных характеристик тонкопленочных покрытий предполагает построение комплексной математической модели, охватывающей как процессы конденсации покрытия с учетом всей совокупности происходящих на поверхности физических явлений, так и связь структуры сформированного покрытия с качественными характеристиками. Попытки построения модели роста покрытия и формирования его свойств предпринимались неоднократно. Однако существующие модели, во-первых, слишком громоздки для практической реализации, во-вторых, не носят комплексного характера и в большинстве случаев не рассматривают всей совокупности поверхностных явлений, делая упор либо на начальную фазу роста, либо на заключительный этап формирования структуры. Между тем комплексная теория формирования качественных характеристик покрытия должна охватывать все стадии роста пленки и быть пригодной для практического использования в виде пакета прикладных программ /57/.
Модель описания свойств покрытия основана на предположении о формировании структуры из отдельно растущих частиц новой фазы на поверхности подложки /61/. Справедливость данного предположения для приведенных выше условий подтверждена многочисленными экспериментами. Особенности процесса коалесценции частиц, зависящие от условий на поверхности (температура, поверхностный заряд, наличие или отсутствие адсорбированного слоя) и параметров плазмы (энергия, состав и плотность потока), определяют структуру покрытия. В рамках данной модели зависимость адгезии от структуры определяется неполным контактом пленки (состоящей из коалесцировавших частиц) с подложкой. Сила адгезионного сцепления покрытия с подложкой является одной из важнейших характеристик. В данной модели рассматривается физическая сила адгезионного сцепления. Поскольку составляющие покрытие частицы являются объектами весьма малых размеров, то суммируется энергия взаимодействия входящих в состав пленки атомов с подложкой /64/.
В рамках модели определяющей величиной является параметр пs - общее количество атомов, контактирующих с подложкой на единице площади, 1/м2. Величина ns не равна поверхностной концентрации ввиду неполного контакта пленки с подложкой. При эпитаксиальном росте покрытие контактирует с подложкой по всей поверхности, и ns=n0= , где а1 – порядок кристаллической решетки материала пленки. При , где ia – энергия взаимодействия атома покрытия с подложкой; – энергия взаимодействия атомов покрытия, островки растут в виде сфер с краевым углом .
В этом случае сила сцепления покрытия с подложкой, приходящаяся на единицу площади поверхности, равна
(4.5)
где – сила взаимодействия атома покрытия с подложкой. Аналогично определяется энергия взаимодействия:
(4.6)
Схема роста тонкопленочного слоя представлена на рисунке 4.1
В данном случае пленка контактирует с поверхностью подложки по площади
(4.7)
где п — количество островков;
- площадь контакта i - го островка с подложкой.
С помощью параметра найденного по формуле (4.7)
(4.8)
Именуемого в дальнейшем «структурный параметр адгезии», сила адгезионного сцепления может быть определена в виде функции структурных характеристик пленки. Из геометрических соображений можно определить:
(4.9)
– безразмерный структурный параметр конденсации, характеризующий относительное перекрытие частиц покрытия при коалесценции.
- зона перекрытия островков осаждения, – радиус островка в момент перекрытия зон контакта
Общее количество атомов, контактирующих с подложкой на единице площади, может быть выражено через параметр :
(4.10)
Энергия взаимодействия единицы площади пленки с подложкой равна:
Рисунок 4.1 Схема роста покрытия, состоящего из отдельных островков
Рисунок 4.2 Зоны влияния структуры на адгезию
(4.11)
Средняя сила адгезионного сцепления пленки с подложкой: Fa =
- средний радиус действия адгезионных сил.
Следовательно, можно записать:
(4.12)
В первом приближении можно считать , тогда:
(4.13)
Формула (4.13) выражает зависимость силы адгезионного сцепления пленки, состоящей из островков примерно одинакового размера, с поверхностью подложки при условии неперекрытия зон контакта островков /5/. Входящие в данную формулу величины , и являются характеристиками вещества, структурный параметр адгезии и структурный параметр конденсации характеризуют структуру роста пленки.
Можно выделить четыре характерные области изменения структурного параметра адгезии в зависимости от радиуса островков, т.е. от условий коалесценции (рисунок 4.2). Первая область лежит от r0’’ до r0. Вторая область лежит от r0’ до r0’’. Третья область лежит от 0 до r0’. Четвертая область лежит за отметкой r0.
1. Область сильного влияния структуры на адгезию (см. область 1, рисунок 4.2). В данной области зоны контакта островков новой фазы не перекрываются.
(4.14)
где – радиус островка в момент перекрытия зон контакта.
Из рисунка 4.8 путем геометрических преобразований можно получить:
(4.15)
Малые изменения ширины зоны срастания приводят к существенному изменению площади контакта пленки с подложкой и, следовательно, к существенному изменению величины адгезии. Геометрически условие перекрытия выражается равенством
Нетрудно видеть, что условие формулы (4.15) означает перекрытие сквозной пористости. Кроме того, в момент перекрытия справедливо равенство:
(4.16)
Таким образом, зона сильного влияния структуры на адгезию характеризуется диапазоном
и при .
2. Область слабого влияния структуры на адгезию (см. область 2, рисунок 4.2). В данной области зоны контакта островков новой фазы перекрываются, влияние структуры на величину адгезии уменьшается. Однако контакт покрытия с подложкой остается неполным.
Область слабого влияния структуры на адгезию характеризуется величинами радиуса от до , и величина структурного параметра адгезии va изменяется соответственно от 1 до /4. При < величина адгезии не зависит от структуры роста пленки.
3. Область 4 характеризуется большими величинами радиуса по сравнению с шириной зоны контакта, т.е. >> .
4. Область отсутствия влияния структуры на адгезию (см. область 3, рисунок 4.2). В данной области имеет место полное перекрытие зон контакта, что означает полный контакт частиц с покрытием, соответствующий максимально возможному значению адгезии.
В данном случае структурный параметр адгезии не зависит от структуры собственно пленки, но зависит от условий контакта покрытие-подложка. В этой области:
(4.17)
где - краевой угол, определяемый соотношением и .
Следует отметить, что величина может принимать весьма малые значения. Так, при =30°, va 0.19, т.е. адгезия будет составлять только 19.6 % максимально возможной величины.
Приведенные выше формулы позволяют определить как численные величины, так и функциональные зависимости адгезии для всех областей роста покрытия, т.е. для всех условий формирования структуры. Кроме характеристик материалов пленки и подложки, формулы включают в себя две величины, а именно ширину зоны контакта и средний радиус островков /24/.
Вопрос контакта островков новой фазы изучался в ряде работ. В первом приближении ширину зоны контакта можно определить из условий существования квазижидкого слоя на поверхности малых частиц /40/.
Величину краевого угла в диапазоне = (/4...0) можно аппроксимировать зависимостью вида
(4.18)
где с - коэффициент порядка единицы.
Тогда зависимость (4.13) принимает вид:
(4.19)
Рассмотрим влияние силы адгезии при основном методе роста поликристаллической пленки, слиянии отдельных островков, характерного для нашего случая
(4.20)
Эта формула является полным выражением для силы адгезионного сцепления. На рисунке 4.3 показана зависимость силы адгезии от межатомного расстояния, в расчетах в виде подложки использовалось кварцевое стекло.
На рисунке 4.4 приведено схематическое изображение математической модели осаждения эпитаксиальных слоев /13/. Ионный луч сфокусирован отклонение атомов от заданной траектории минимально. Концентрация ионов в луче на единицу площади выше 1018 ион/дм2, скорость роста тонкопленочного слоя максимальна свыше 10 мкм/мин. Происходит формирование поликристаллических тонкопленочных слоев с высокой упаковкой атомов в решетке. Сила адгезии поликристаллических слоев к подложке в данном случае достигает свыше 6 кг/мм2. Данная модель осаждения применима к получению металлической гребенки тонкопленочного солнечного элемента бесшаблонным методом.
На рисунке 4.5 представлено схематическое изображение математической модели осаждения ионов Si растровым ионным пучком на подложку из GaAs с учетом структуры подложки. В данном случае концентрация ионов в луче на единицу площади порядка 1018 ион/дм2, скорость роста поликристаллических слоев порядка 1 мкм/мин. Адгезия слоя к подложке варьируется в пределах 2-6 кг/мм2. Данная модель осаждения применима к получению полупроводниковых слоев поликристаллического солнечного элемента методом ионно-лучевого осаждения.
Далее на рисунке 4.6 смоделировано осаждение ионов Si растровым ионным пучком на подложку из GaAs с нанесенным топологическим рельефом, так же была учтена структуры подложки. В данном случае концентрация ионов в луче на единицу площади порядка 1018 ион/дм2, скорость роста поликристаллических слоев порядка 1 мкм/мин. Адгезия слоя к подложке
r,
а.е.
F·1010,
Н/м2
Рисунок 4.3 Зависимость силы адгезии от межатомного расстояния (подложка кварцевое стекло).
варьируется в пределах 2-6 кг/мм2. Данная модель применима к получению металлической гребенки с помощью шаблона.
На рисунке 4.7 показано схематическое изображение модели осаждения ионов Si фокусированным ионным пучком на подложку из кварцевого стекла. В данной модели осаждения скорость роста тонкопленочного слоя составляет порядка 10 мкм/мин при концентрации ионов свыше 1018 ион/дм2. Адгезия слоя к подложке выше 6 кг/мм2. Рассмотренная модель осаждения характерна для получения полупроводниковых слоев в солнечном элементе.
На рисунке 4.8 показано схематическое изображение модели осаждения ионов Si растровым ионным пучком на подложку из кварцевого стекла с учетом структуры подложечного материала. Скорость роста 1 мкм/мин при концентрации 1018 ион/дм2, адгезия слоя к подложке 2-6 кг/мм2.
На рисунке 4.9 изображена модель осаждения ионов Si сфокусированным ионным пучком на подложку из кварцевого стекла с нанесенным топологическим рельефом с учетом особенностей структуры подложки. Скорость роста свыше 10 мкм/мин при средней концентрации выше 1018 ион/дм2, адгезия слоя к подложке выше 6 кг/мм2. Данная модель применима к получению тонкопленочных поликристаллических полупроводниковых и металлических слоев солнечного элемента.
На рисунке 4.10 показано схематическое изображение математической модели осаждения ионов Si растровым ионным пучком на подложку из кварцевого стекла с нанесенным топологическим рельефом с учетом структуры подложки. Средняя скорость роста 1 мкм/мин при концентрации 1018 ион/дм2, адгезия слоя к подложке 2-6 кг/мм2. Данная модель осаждения применима для получения металлической гребенки поликристаллического тонкопленочного солнечного элемента.
а)
б)
Рис. 4.4 Схематическое изображение математической модели осаждения ионов Si сфокусированным ионным пучком на подложку из GaAs
а) Ионный поток до момента осаждения
б) Осаждение эпитаксиального слоя Si
а)
б)
Рис. 4.5 Схематическое изображение математической модели осаждения ионов Si растровым ионным пучком на подложку из GaAs
а) Ионный поток до момента осаждения
б) Осаждение эпитаксиального слоя Si
а)
б)
Рис. 4.6 Схематическое изображение математической модели осаждения ионов Si растровым ионным пучком на подложку из GaAs с нанесенным топологическим рельефом.
а) Ионный поток до момента осаждения
б) Осаждение эпитаксиального слоя Si
а)
б)
Рис. 4.7 Схематическое изображение математической модели осаждения ионов Si с фокусированным ионным пучком на подложку из кварцевого стекла
а) Ионный поток до момента осаждения
б) Осаждение эпитаксиального слоя Si
а)
б)
Рис. 4.8 Схематическое изображение математической модели осаждения ионов Si растровым ионным пучком на подложку из кварцевого стекла
а) Ионный поток до момента осаждения
б) Осаждение эпитаксиального слоя Si
а)
б)
Рис. 4.9 Схематическое изображение математической модели осаждения ионов Si сфокусированным ионным пучком на подложку из кварцевого стекла с нанесенным топологическим рельефом.
а) Ионный поток до момента осаждения
б) Осаждение эпитаксиального слоя Si
а)
б)
Рис. 4.10 Схематическое изображение математической модели осаждения ионов Si растровым ионным пучком на подложку из кварцевого стекла с нанесенным топологическим рельефом.
а) Ионный поток до момента осаждения
б) Осаждение эпитаксиального слоя Si