3.2 Получение пленки SiO2.
Закладываем новые образцы и повторяем процесс осаждения с начала (см. п3.1). Далее проводим окисление. Для этого осуществляем напуск атмосферного воздуха давлением 0.1 Па в рабочий объем и прикладываем потенциал на подложкодержатель в первом случае -200 В, во втором – -400 В, а в третьем - -600 В. Подаем СВЧ частотой 2,45 ГГц. В результате чего происходит возгорание плазмы. Процесс образования пленки SiO2 осуществляется в течение 10 минут. Получаем образцы, для которых в последствии найдем диэлектрические параметры, определяемые из сдвига фаз в емкостной цепи, и измерим спектральную зависимость фототока.
3.3 Напыление контактов.
3.3.1 Описание установки ВУП-4.
Установка вакуумный универсальный пост (ВУП-4) предназначен для осуществления операций электронно-микроскопического препарирования, связанных с распылением материалов в вакууме. Прибор может быть использован для металлизации материалов в вакууме, нагрева и охлаждения исследуемых образцов, очистка образцов и распыления материалов с помощью ионной бомбардировки. Прибор состоит из вакуумной и электрической стоек. В вакуумной стойке размещены вакуумная система, система напуска, вакуумная камера для предварительной очистки материалов, распределительный щиток и электропитание для термического напыления. На стойке верхней части установлен столик для вакуумного препарирования (рабочий объем). Внутри электрической стойки расположены высоковольтный выпрямитель, питающий устройство для ионного травления, блок питания нагревателя и охладителя. В верхней части смонтированы пульты управления.
Все операции по приготовлению образцов производятся в рабочем объеме, образуемом основанием и колпаком.
Рис.3.1. Маятниковое устройство предназначено для получения во время напыления равномерного по толщине слоя по всей площади объекта. С этой целью столик с объектами совершает одновременно равномерное вращательное и поступательное движение.
Рис.3.2. Устройство для ионного травления представляет собой разрядную камеру, состоящую из основания 5, стеклянного цилиндра 4, с анодом 2 и штуцера 6. Столик 3, являющийся катодом, охлаждается с помощью жидкого азота. Температура охлаждения может регулироваться путем нагрева спирали 7 и измеряется термопарой 8. Напуск газа в разрядную камеру производится через систему напуска по трубке 12. Для откачки газа из разрядной камеры перед ионным травлением предусмотрен клапан 9, с помощью которого производится тонкая регулировка давления в разрядной камере. Анод соединен с высоковольтным вводом проводом 1.
Рис.3.3. Датчик толщины устанавливается в рабочем объеме и является индикатором толщины напыляемого слоя. Состоит из корпуса 6, в котором расположены источник света 1, светопроницаемая пластина и фоторезистор 5. Диафрагмы 4 и полости 3 образуют световую ловушку, которая улавливает отраженные лучи от испарителя и таким образом уничтожает влияние засветки.
Рис.3.4. Вакуумная блокировка предназначена для автоматического отключения напряжения высоковольтного выпрямителя при напуске газа в рабочий объем до давления, равного атмосферному. Штуцер 1 блокировки вставляется в грибковое соединение столика. При атмосферном давлении в рабочем объеме сильфон 3 находится в нормальном (разжатом) состоянии и размыкает контакты микропереключателя 6. При откачке рабочего объема сильфон 3 сжимается и контакты микропереключателя 6 замыкаются.
Рис. 3.5. Вакуумная система предназначена для создания необходимого вакуума в рабочем объеме. 1-рабочий объем; 2-манометрически термопарный преобразователь; 3-вентиль откачки рабочего объема на предварительный вакуум МВ2; 4-отсекающий вентиль МВ1; 5-вакуумный механический насос; 6-вентиль откачки баллона МВ3; 7-баллон; 8-высоковакуумный паромасляный насос; 9-манометрический ионизационный преобразователь; 10-высоковакуумный клапан; 11-винт напуска воздуха в рабочий объем. 
Создание вакуума происходит в два этапа. Вначале создается предварительный вакуум при открытом вентиле 3 и закрытом вентиле 6. После создания предварительного вакуума закрывается вентиль 3 и открывается вентиль 6.
Пульты управления предназначены для управления и контроля работы прибора. В правом пульте размещена схема блока измерения вакуума и схема блока управления вакуумной системой. Блок измерения вакуума предназначен для измерения остаточного давления в рабочем объеме прибора. В левом пульте управления размещена схема блока управления устройства для поворота и наклона объектов. Скорость и период вращения устройства устанавливаются с помощью резисторов.
3.3.2 Напыление на установке точечных и встречно-штыревых контактов.
В качестве материала контактов к исследуемым образцам использовалась медь, для формирования необходимой геометрии контактов использовались соответствующие маски. Схема рабочей камеры для напыления приведена на рисунке 3.6.
Рис. 3.6. Термовакуумное напыление с резистивным разогревом, установка ВУП-4. Схематическое изображение: 1-напыляемый материал; 2-испаритель материала; 3-токовводы; 4-маска; 5-рабочая камера; 6-подложки; 7-подложкодержатель.
Процесс напыления проводящего слоя состоит из следующих этапов:
- загрузка вакуумной камеры: испаряемый материал помещают в тигли, подложки устанавливают в подложкодержатели, маски – в маскодержатели;
- герметизация и откачка камеры до рабочего давления порядка 1,3*10-4 Па. ;
- нагрев испарителя до температуры испарения и нагрев подложек, нагрев испарителя осуществляется путем пропускания электрического тока;
- напыление пленки.
3.3.3 Термовакуумное напыление.
Метод основан на создании направленного потока
пара вещества и последующей конденсации его на поверхностях подложек, имеющих температуру ниже температуры источника пара. Процесс термовакуумного напыления можно разбить на четыре этапа: образование пара вещества, распространение пара от источника к подложкам, конденсации пара на подложках, образование зародышей и рост
пленки.
Образование пара вещества выполняется путем его испарения или
сублимации. Вещества переходят в пар при любой температуре выше
абсолютного нуля, но чтобы увеличить интенсивность парообразования
вещества нагревают. С увеличением температуры повышается средняя кинетическая энергия атомов и вероятность разрывов межатомных
связей. Атомы отрываются от поверхности и распространяются в свободном пространстве, образуя пар. Давление насыщенного пара сильно зависит от температуры. Приращения температуры на каждые 510% сверх температуры испарения приводят к увеличению давления насыщенного пара, а следовательно, и скорости испарения на один порядок.
Распространение пара от источника к подложкам осуществляется путем диффузии и конвекции, на которые в первую очередь влияет
степень вакуума. Для уменьшения потерь испаряемого материала за
счет напыления на внутрикамерную оснастку и стенки камеры, а также
для повышения скорости напыления и получения более равномерной по
толщине пленки необходимо обеспечить прямолинейное движение частиц пара в направлении подложки. Это возможно при условии, если длина
свободного пробега частиц пара будет больше расстояния источник подложка. Можно считать, что частицы напыляемого вещества распространяются прямолинейно направленным молекулярным (атомарным) потоком, сохраняя свою энергию до встречи с подложкой. Равномерность
доставки частиц к поверхности подложки улучшается с уменьшением
отношения линейных размеров поверхности испарения вещества к расстоянию до подложки.
Конденсация пара на поверхности подложки зависит от температуры подложки и плотности атомарного потока. Атомы пара, достигшие подложки, могут мгновенно отразиться от нее (упругое столкновение), адсорбироваться и через некоторое время отразиться от подложки (реиспарение), адсорбироваться и после кратковременного мигрирования по поверхности окончательно остаться на ней (конденсация).
Конденсация атомов вещества (форсированный режим). При низких скоростях испарения возможно образование рыхлых, шероховатых пленок.
Качество пленки определяется также размером зерна и величиной
адгезии к поверхности подложки. Повышение температуры подложек
уменьшает плотность центров зародышеобразования и, следовательно,
способствует формированию крупнозернистых пленок и, наоборот, повышение плотности потока пара вещества способствует получению пленок с мелкозернистой структурой. При прочих равных условиях склонностью к образованию мелкозернистой структуры обладают металлы с высокой температурой испарения W, Мо Та, Рt, Ni. Низкотемпературные металлы Zn, Сd и другие образуют крупнозернистые пленки.
Адгезия, т.е. прочность сцепления пленки с подложкой уменьшается из-за внутренних напряжений, возникающих в пленке при охлаждении после напыления. Недостаточная адгезия причина отслаивания пленок. Пленки толщиной более 1,5-2 мкм имеют недостаточную адгезию, поэтому термовакуумное напыление применяют для получения пленок меньшей толщины. Большая адгезия обеспечивается для напыляемых материалов, химически родственных с материалом подложки. В этом случае конденсация сопровождается образованием прочных химических связей (хемосорбция). Хемосорбция происходит при напылении оксидов, а также легкоокисляемых
металлов А1, Сг, Мn, Тi, W. Золото, платина, палладий имеют к этим
подложкам низкую адгезию. Для улучшения адгезии и структуры пленок напыление проводят на нагретые до температуры 200…400 оС подложки.
Техника термовакуумного напыления (ТВН). Как было показано,
процесс ТВН выполняют в вакуумных камерах с предельным давлением 1,3*10-4 Па. Нагрев вещества осуществляют прямым или
косвенным (теплопередачей от испарителя) способами: путем пропускания электрического тока, токами индукции, электронной бомбардировкой. Схема ТВН приведена на рис. 26.Стационарная и съемная оснастка вакуумной камеры периодически очищается от наслоений предыдущих напылений. Процесс начинают с загрузки вакуумной камеры: испаряемый материал помещают в тигли, подложки устанавливают в подложкодержатели, маски в маскодержатели. В зависимости от конструкции внутрикамерных устройств техники выполнения загрузки могут различаться. Затем камеру герметизируют и производят откачку воздуха. При закрытой заслонке производят нагрев подложек до заданной температуры и испарителей до температуры испарения. Проводят ионную очистку поверхностей подложек. Откачивают камеру до предельного вакуума. После этого открывают заслонку и ведут напыление пленки. При получении заданной толщины пленки процесс напыления прекращают, перекрывая атомарный
поток заслонкой. Подложки охлаждают и после этого в камеру напускают воздух и производят выгрузку подложек.
Основные параметры процесса ТВН: давление в вакуумной камере, температура испарителей, температура подложек, время напыления.
Достоинства и недостатки метода. Процесс ТВН хорошо освоен, позволяет получать многие пассивные элементы, металлизацию полупроводниковых структур, применяется при изготовлении фотошаблонов и др. С помощью ТВН можно получать пленки металлов, полупроводников, диэлектриков. Процесс обеспечивает высокие скорости роста пленок и степень чистоты, получение качественных пленок при сравнительно низких температурах подложек. Сравнительно легкая автоматизация процесса позволяет создавать сложные вакуумные установки и комплексы, управляемые с помошью ЭВМ.
К недостаткам метода относятся: изменение процентного соотношения компонентов при напылении сплавов и сложных веществ, недостаточная равномерность толщины пленок на больших подложках, трудность получения пленок тугоплавких материалов, высокая инерционность
при использовании испарителей (после выключения нагрева испарителей парообразование продолжается, поэтому процесс напыления пленки
прекращается с помощью механической заслонки), сравнительно невысокая адгезия пленок, длительность подготовки к процессу откачки по
сравнению с напылением пленки (12 ч и 11,5 мин), трудность создания испарителей с большим ресурсом работы более 50100 ч, относительная сложность оборудования.
3.4 Измерение и расчёт диэлектрических параметров (С, ε, tgδ) плёнок, определяемых из сдвига фаз в емкостной цепи.
Мы получили при разных режимах следующие образцы с оксидной плёнкой SiO на проводящем слое InO на стеклянной подложке:
- №2-исх, №3-исх: осаждались при T=200o C; потенциал подложки U=-200В; время осаждения t=10 мин.
- №2-ок окислялись подачей в камеру атмосферного воздуха при T=200o C; потенциал подложки U=-200В; t=10 мин.
- №3-ок окислялись подачей в камеру атмосферного воздуха при T=200o C; потенциал подложки U=-400В; t=10 мин.
- №4-ок окислялись подачей в камеру атмосферного воздуха при T=200o C; потенциал подложки U=-600В; t=10 мин.
Для измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь брали образцы с точеными контактами и подключали по следующей схеме:
Измерения снимали с точек на каждом из образцов
R=100 Ом
Z (образец)
U=0,135В
V
UR
V
Плёнка осаждалась со скоростью 10 нм/мин в течение 10 мин, значит толщина d=100 нм;
радиус нанесённых контактов r=1мм, т. к. контакты круглые их площадь
S=πr2 =3,14*10-6 м;
ток в схеме равен:
I=UR/R,
сопротивление образца равно:
Z=(U- UR)/I=1/(ω*C),
где C - искомая ёмкость образца;
Из предыдущих выражений можно выразить
1/(ω*C)= (U- UR)*R/ UR,
тогда
С= UR/(U- UR)*R*ω;
Из ёмкости найдём диэлектрическую проницаемость:
ε=С*d/(ε0*S).
По разности фаз исходного напряжения U и UR найдём φ;
tgδ=tg(π/4-φ)
Результаты числовых вычислений представлены в Таблице №3.1.
Таблица №3.1
Образец
|
№
|
UR ,В
|
C, Ф
|
ε
|
δ, рад
|
φ, рад
|
tgδ
|
tgδ ср
|
ε ср
|
U, В
|
№3 - исх
|
1
|
0,02
|
1,74E-09
|
6,26
|
1,33
|
0,242
|
4,045
|
3,33
|
9,55
|
0
|
2
|
0,03
|
2,86E-09
|
10,3
|
1,33
|
0,242
|
4,045
|
3
|
0,034
|
3,37E-09
|
12,1
|
1,09
|
0,483
|
1,903
|
№3 - Ок
|
1
|
0,046
|
5,17E-09
|
18,6
|
1,09
|
0,483
|
1,903
|
1,9
|
17,41
|
-400
|
2
|
0,042
|
4,52E-09
|
16,3
|
1,09
|
0,483
|
1,903
|
3
|
0,044
|
4,84E-09
|
17,4
|
1,09
|
0,483
|
1,903
|
№2 - исх
|
1
|
0,012
|
9,76E-10
|
3,51
|
0,85
|
0,725
|
1,128
|
1,64
|
6,93
|
0
|
2
|
0,03
|
2,86E-09
|
10,3
|
1,09
|
0,483
|
1,903
|
3
|
0,022
|
1,95E-09
|
7,01
|
1,09
|
0,483
|
1,903
|
№4 - Ок
|
1
|
0,038
|
3,92E-09
|
14,1
|
1,09
|
0,483
|
1,903
|
1,75
|
14,45
|
-600
|
2
|
0,038
|
3,92E-09
|
14,1
|
1,09
|
0,483
|
1,903
|
3
|
0,04
|
4,21E-09
|
15,2
|
0,97
|
0,604
|
1,447
|
№2 - Ок
|
1
|
0,026
|
2,39E-09
|
8,58
|
0,97
|
0,604
|
1,447
|
1,75
|
11,64
|
-200
|
2
|
0,032
|
3,11E-09
|
11,2
|
1,09
|
0,483
|
1,903
|
3
|
0,04
|
4,21E-09
|
15,2
|
1,09
|
0,483
|
1,903
|
Рис 3.7 Зависимость тангенса угла потерь от потенциала подложки при окислении образцов (образец №2-окисленный при -200; образец №3-окисленный при -400;образец №4- окисленный при -600;).
Рис 3.8 Зависимость диэлектрической проницаемости от потенциала подложки при окислении образцов (образец №2-ок при -200; образец №3-ок при -400;образец №4-ок при -600;).
Диэлектрическая проницаемость – величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия электрических зарядов в данном материале меньше, чем в вакууме.
Диэлектрические потери - потери электрической энергии, обусловленные протекание токов в диэлектриках. Углом диэлектрических потерь, называют угол δ, дополняющий до 90о угол сдвига фаз φ между суммарным током и напряжением в емкостной цепи.
Окисление при потенциале -200В происходило частично и стехиометрический параметр окисла SiOx был меньше 2 (x<2), поэтому диэлектрическая проницаемость образца №2-ок меньше, чем у образца №3-ок, полученного при потенциале подложки -400В и окисление которого было наиболее полным. Понижение ε в образце №4-ок, полученного при потенциале -600В может быть связано с тем, что параллельно с окисление происходило взаимодействие кремния с атомами водорода, в результате чего, образовалась такая структура O-Si:H, ε которой меньше, чем у диоксида оксида кремния.
3.5. Измерение спектральной зависимости фототока.
Были исследованы пять образцов, представляющих собой подложки с трехслойной структурой. Состоящей из стеклянной пластины с проводящим слоем из окиси индия, осажденным на него кремнием и контактами, на пленке кремния выполненными в виде встречно–штыревой системы. Из пяти образцов три были с диоксидом кремния и два исходных.
ћω
InO
Si
подложка
A
образец
|
λ, nм
|
I, µА
|
образец
|
λ, nм
|
I, µА
|
образец
|
λ, nм
|
I, µА
|
№2 - исх
|
350
|
8,22
|
№3 - исх
|
350
|
69,08
|
№4 – ок
|
-
|
0,01
|
400
|
8,23
|
400
|
69,09
|
№3 – ок
|
-
|
0,01
|
450
|
8,23
|
450
|
69,08
|
№2 – ок
|
-
|
0,01
|
500
|
8,24
|
500
|
69,09
|
|
550
|
8,26
|
550
|
69,14
|
600
|
8,28
|
600
|
69,18
|
650
|
8,29
|
650
|
69,2
|
700
|
8,28
|
700
|
69,18
|
750
|
8,27
|
750
|
69,16
|
800
|
8,26
|
800
|
69,15
|
850
|
8,25
|
850
|
69,12
|
900
|
8,24
|
900
|
69,11
|
950
|
8,23
|
950
|
69,1
|
1000
|
8,22
|
1000
|
69,08
|
1050
|
8,22
|
1050
|
69,07
|
1100
|
8,21
|
1100
|
69,05
|
Зависимость фототока от длины волны при постоянном напряжении.
1. Образец №2 исходный (кремний осаждался при потенциале подложки -200В)
Полученные образцы имеют максимум проводимости при λ=650 нм, что соответствует ширине запрещённой зоны в 1,84 эВ, в то время как запрещённая зона кремния – 1,12 эВ и учитывая что мы осаждали кремний используя моносилан, то вероятнее всего наша кремниевая плёнка гидрогенизированна. Аморфный кремний всегда содержит водород в количестве от 5 до 20 ат. %, который блокирует оборванные связи кремния, поэтому он является гидрогенизированной формой кремния. Гидрогенизированный аморфный кремний (aSi:H) является прямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 1,7÷1,8 эВ и высоким коэффициентом оптического поглощения.
2.Образец №3 исходный (кремний осаждался при потенциале подложки -200В)
3.Образцы №3-ок, №4-ок, №2-ок с оксидированным кремнием не показали зависимости фототока от длины волны. Вследствие того, что пленка диоксида кремния является диэлектрической и носители заряда, образовавшиеся под действием света быстро рекомбинируют.
3.6. Исследование поперечного транспорта в системах МДМ.
в сильных полях свойства пленок более интересны, так как ВАХ обычно имеет ряд особенностей. Очень часто электрические свойства в сильных полях не могут быть удовлетворительно описаны одним механизмом проводимости и в различных диапазонах напряженности электрического поля могут доминировать разные механизмы.
Для исследование поперечного транспорта использовались те же образцы, что и для измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь.
Толщина слоя SiO d=100 нм, значит напряжённость поля в слое E=U*107 В/м
SiO
InO
A
U
|
№2 sio и
|
№3 SiO и
|
№3 SiO ок
|
№4 SiO ок
|
№2 SiO ок
|
U, B
|
I,мкA
|
I,мкA
|
I,мкA
|
I,мкA
|
I,мкA
|
0,5
|
1,1
|
0,03
|
0,7
|
0,36
|
0,5799
|
1
|
2,67
|
0,1
|
0,92
|
0,75
|
1,2033
|
1,5
|
3,82
|
0,21
|
1,44
|
1,18
|
1,4421
|
2
|
5,45
|
0,36
|
2,55
|
1,63
|
2,42
|
2,5
|
8,9
|
0,65
|
0,25
|
2,65
|
3,2
|
3
|
3,2
|
1,2
|
0,34
|
3,66
|
0,57
|
3,5
|
5,25
|
1,65
|
0,46
|
3,18
|
0,8
|
4
|
3,29
|
2,6
|
0,58
|
3,83
|
0,65
|
4,5
|
4,82
|
3,63
|
0,69
|
4,61
|
0,4
|
5
|
34,48
|
0,78
|
1,3
|
5,7
|
0,04
|
5,5
|
40,11
|
0,88
|
1,57
|
6,68
|
0,31
|
6
|
53,44
|
1,06
|
1,82
|
7,82
|
0,09
|
6,5
|
56,77
|
1,18
|
2,3
|
8,84
|
0,32
|
7
|
73,15
|
1,41
|
2,6
|
10,06
|
0,79
|
7,5
|
118,32
|
1,6
|
3,06
|
10,51
|
1,33
|
8
|
2430
|
1,82
|
3,48
|
10,79
|
40,75
|
8,5
|
3100
|
2,16
|
3,9
|
11,67
|
50,55
|
9
|
3900
|
2,5
|
4,23
|
12,47
|
63,02
|
9,5
|
4600
|
2,87
|
4,77
|
13,55
|
72,63
|
10
|
5500
|
3,18
|
5,25
|
14,61
|
77,73
|
Рис.3.10 ВАХ образца №2-исходный (осаждался при -200В) в линейном масштабе
Рис.3.11 ВАХ образца №2-окисленный (окислялся при -200В) в линейном масштабе
Рис.3.12 ВАХ образца №2-исходный (осаждался при -200В) в логарифмическом масштабе
Рис.3.13 ВАХ образца №2-окисленный (окислялся при -200В) в логарифмическом масштабе
3.6.1 Анализ ВАХ образцов №2 sio исх и №2 SiO ок представленных на Рис.3.10, 3.11 в обычных, а на Рис.3.12, 3.13 в логарифмическом масштабе.
Важным фактором, который нужно учитывать при рассмотрении тонкопленочного диэлектрика, является наличие в нем ловушек, так как диэлектрические пленки в большинстве случаев являются некристаллическими (аморфными). В самое последнее время показано, что в аморфных веществах существует много таких ловушек, связанных с обрывом связей или с перестройкой этих связей (так называемые валентно-альтернативные дефекты, когда одновременно возникают в равной концентрации дефекты донорного и акцепторного типов). Донорные центры приводят к электропроводности Пула – Френкеля, а по акцепторным ловушкам может осуществляться прыжковая проводимость.
Из полученных зависимостей видно, что при напряжении около 7,5В происходит резкий скачок проводимости диэлектрического слоя диоксида кремния. Низкий рост тока до напряжения 7,5В можно объяснить процессом заполнения энергетических уровней ловушек в диэлектрике. Когда все ловушки заполнены мы получаем видоизменённый материал проводимость которого значительно выше.
Рис. 3.14.ВАХ диэлектрика с моноэнергетическими ловушками с учетом возможного из заполнения инжектированными электронами.
1 – ВАХ для диэлектрика без ловушек;
2 – ВАХ для диэлектрика с мелкими ловушками;
3 – Быстрый рост тока при полном заполнении ловушек.
Рис.3.15 ВАХ в линейном масштабе образцов №3-исх и №3-окисленный (при потенциале подложки -400В).
Рис. 3.16ВАХ в логарифмическом масштабе образцов №3-исх и №3-окисленный (при потенциале подложки -400В).
3.6.2 Анализ ВАХ образцов №3 sio исх и №3 SiO ок представленных на Рис.3.15 и в обычных, а на Рис.3.16 в логарифмическом масштабе.
На этих образцах наблюдается быстрый экспоненциальный рост тока, а через некоторое время резкий спад и далее ВАХ описывается квадратичной зависимостью. Это можно попробовать объяснить существованием в материале двух фаз в начальный момент времени, одна из которых обеспечивает аномально высокую проводимость по сравнению обычным состоянием диэлектрика. Потом из-за изменения физических параметров проводящей среды (температуры, тока, напряжения и т. п.) аномальная фаза исчезает, и ток протекает по обычному закону.
|
