Введение к работе
Актуальность темы. Экспериментальные исследования аспектов получения качественных полупроводниковых, металлических и диэлектрических наноразмерных пленок и покрытий с заданными свойствами на различных подложках, а также установление закономерностей влияния технологии создания наноматериалов на их физические и химические характеристики, являются одними из основных задач, стоящими перед разработчиками технологических процессов нанохимии, нанофотоники и других областей нанотехнологий.
Одной из наиболее распространенных технологий получения наноструктурированных материалов является магнетронное распыление. Магнетронные распылительные системы (МРС) позволяют получать наноразмерные покрытия практически из любых твердофазных материалов и обладают рядом преимуществ по сравнению с другими методами, открывая широкие возможности для модификации и управления физическими и химическими свойствами наноразмерных пленок. В частности, такие подходы, как изменение температуры подложки, приложение потенциала к подложке, позволяют варьировать структуру и свойства полученных покрытий. Однако оба рассмотренных подхода не влияют на процесс транспорта нейтральных распыленных атомов. Единственным параметром, способным оказывать влияние на поток таких атомов, является давление рабочего газа. Изменение давления в вакуумной камере влияет как на энергетические характеристики, так и на интенсивность рассеяния нейтральных распыленных атомов мишени, что в свою очередь не может не сказаться на свойствах синтезируемых пленок. Существует относительно небольшое число работ, посвященных моделям, прогнозирующим влияние давления газа на процесс транспорта распыленных атомов. Действующая концепция расширенной структурной зонной диаграммы отражает взаимосвязь параметров процесса распыления и свойств наноразмерных материалов лишь оценочно, являясь качественной иллюстрацией различных процессов, происходящих при реальном росте пленки. Таким образом, создание математической модели, связывающей транспорт энергии распыленными атомами и давление рабочего газа, и ее экспериментальная апробация представляются весьма актуальными.
Это определяет актуальность исследований, выполненных в рамках данной диссертационной работы и направленных на установление взаимосвязи изменения свойств наноразмерных пленок и давления рабочего газа.
Целью диссертационной работы является изучение теоретических и практических аспектов получения тонкопленочных покрытий при различных давлениях рабочего газа в магнетронной распылительной системе и установление закономерностей влияния параметров получения на структуру и свойства на примере наноразмерных пленок аморфного кремния.
Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:
построение математической модели для расчета зависимости мощности потока осаждения от давления рабочего газа в процессе магнетронного распыления, учитывающей изменение рассеяния распыленных атомов мишени и
энергии бомбардирующих ионов рабочего газа;
разработка технологии и получение наноразмерных пленок аморфного кремния (a-Si) на различных подложках на основе построенной модели;
выявление характера зависимости скорости роста тонких пленок от давления рабочего газа в МРС с использованием построенной модели и экспериментальная апробация на примере пленок a-Si;
исследование структуры, электрофизических и морфологических свойств наноразмерных пленок Si, синтезированных при различных давлениях рабочего газа и объяснение полученных зависимостей на основе построенной модели;
изучение фотоэлектрических эффектов, в том числе вторично-ионного фотоэффекта (ВИФЭ), на содержащих полученные плёнки полупроводниковых образцах;
изучение возможности применения в химическом анализе полученных покрытий в качестве pH-сенсоров.
Научная новизна работы.
-
Впервые разработана математическая модель стадии технологического процесса формирования наноразмерных пленок аморфного кремния a-Si при магнетронном распылении, устанавливающая зависимости мощности потока осаждения от давления в рабочей камере, что позволило рассчитать переходное давление, влияющее на структуру и функциональные свойства наноструктур на подложке.
-
Впервые теоретически спрогнозирован и экспериментально подтвержден характер зависимости скорости роста и структуры наноразмерных пленок от давления рабочего газа в процессе магнетронного распыления, выраженный в резком повышении скорости роста пленок при снижении давления рабочего газа до минимального необходимого для поддержания магнетронного разряда и управлении структурой наноразмерных пленок a-Si путем управления дисперсией отклонения угла связи Si-Si-Si от идеального тетраэдрического угла.
-
Установлено, что ВИФЭ приводит к увеличению сигнала, соответствующего вторичным ионам Si, на 10 %, что завышает его измеряемую концентрацию в образце. Это позволяет усовершенствовать метод вторично-ионной масс- спектрометрии (ВИМС) с учетом обнаруженного явления при анализе свойств фоточувствительных наноматериалов.
Практическая значимость.
-
В результате экспериментальных исследований процессов получения наноразмерных пленок при минимально возможных давлениях существования магнетронного разряда показана возможность повышения производительности МРС и снижение расхода рабочего газа, за счет увеличения скорости роста в 2-3 раза и получение бездефектных наноразмерных пленочных структур с повышенной химической стойкостью, за счет снижения среднеквадратичной шероховатости до 1.6 нм.
-
Математические соотношения могут быть использованы для прогнозирова
ния химической структуры, а также физических характеристик пленок a-Si, получаемых технологией магнетронного распыления. Варьирование структуры позволяет получать пленочные покрытия с заданной реакционной активностью.
-
На основе полученных теоретических и экспериментальных результатов предложен технологический процесс формирования полупроводниковой структуры с наноразмерной пленкой a-Si, обнаруживающей ВИФЭ.
-
Обнаруженный ВИФЭ является эффективным инструментом управления скоростью ионного травления (в том числе селективного) фоточувствительных мишеней. В то же время, наличие ВИФЭ служит причиной искажения химического состава, что необходимо учитывать при анализе методом ВИМС.
-
Наличие зависимости сопротивления полученных пленочных структур от химического состава окружающей среды (значения рН) позволило разработать хемочувствительные покрытия, пригодные для использования в составе сенсорных систем для анализа pH жидких сред (в том числе микроколичественного).
Положения, выносимые на защиту.
В процессе магнетронного распыления при средней длине свободного пробега распыленных атомов, превышающей расстояние от мишени до подложки, существует переходное давление рабочего газа, ниже которого определяющий вклад в доставляемую распыленными атомами до подложки энергию вносит начальная энергия ионов рабочего газа; потери энергии при давлениях выше переходного связаны с увеличением доли рассеянных распыленных атомов (свыше 20 %).
Получение методом магнетронного распыления наноразмерных пленок аморфного кремния со среднеквадратичной шероховатостью менее 2 нм возможно при давлениях рабочего газа, превышающих давление зажигания магнетронного разряда не более чем в 5 раз.
Снижение удельного сопротивления пленок аморфного кремния в 4 и более раз обусловлено изменением их структуры, выражающемся в уменьшении дисперсии отклонения угла связи Si-Si-Si от идеального тетраэдрического угла на величину до 2 градусов и упорядочением структуры пленок, соответственно.
Освещение в процессе масс-спектрометрического анализа пленочного образца аморфного кремния на подложке монокремния может приводить к увеличению сигнала ионов Si, не обусловленного изменением химического состава исследуемого образца.
Достоверность результатов определяется корректным использованием предварительно апробированных методов и методик исследования c использованием современного оборудования. Синтез исследуемых образцов и их измерения проводились многократно с последующей статистической обработкой экспериментальных результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается воспроизводимостью экспериментальных данных в пределах уста
новленных погрешностей, соответствием полученных результатов современным научным представлениям, широкой апробацией результатов работы.
Личный вклад автора диссертации состоит в самостоятельном выполнении представленных в диссертации экспериментальных исследований и расчетов при моделировании транспорта энергии распыленными атомами в МРС. Постановка задач и выбор направлений исследования проводились совместно с научным руководителем. Автор принимал непосредственное участие в обсуждении результатов, написании статей и подготовке докладов на международные и всероссийские конференции. При использовании результатов других авторов и результатов, полученных в соавторстве, приводятся ссылки на соответствующие источники.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на российских и международных конференциях: XV и XVIII Международная конференция «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2012, 2015); VII- XII Всероссийская конференция молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, 2012-2017); Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «Инновации в материаловедении» (Москва, 2013); X-XII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва, 20132015); XLVIII Школа ПИЯФ по физике конденсированного состояния (ФКС- 2014) (С.-Петербург, 2014); V Международная конференция «Наночастицы, наноструктурированные покрытия и микроконтейнеры: технология, свойства, применение (Гент, Бельгия, 2014); Всероссийская молодежная научная конференция «Новые материалы и технологии: состояние вопроса и перспективы развития» (Саратов, 2014); Международная конференция «Микро- и наноэлектроника-2014» (Звенигород, 2014); VII Международная конференция «Наночастицы, наноструктурированные покрытия и микроконтейнеры: технология, свойства, применение» (Томск, 2016).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 19 работах, из них 3 статьи в рецензируемых изданиях, включенных в Перечень ВАК Минобрнауки РФ и входящих в базы данных Web of Science и Scopus, 15 тезисов и публикаций в других изданиях, разработана 1 программа для ЭВМ.
Результаты работы использовались при выполнении следующих грантов: «Изучение эффекта детектирования излучения в МДМ структурах и возможности использования данного эффекта в первичных преобразователях сигналов миллиметрового диапазона» (Проект РФФИ 12-07-31241 мол_а); «Создание хемо- и биосенсоров на основе гибридных структур "полупроводникорганический слой-нанообъекты"» (Проект РФФИ 14-02-31089 мол_а); «Формирование регулируемого освещением пространственного и потенциального рельефа на границе раздела "полупроводник-органическое покрытие"» (Проект РФФИ 16-08-00524 А); «Имплантируемая система дистанционной электростимуляции периферических нервных окончаний» (Проект РНФ № 17-79-20243).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 129 страниц, включая 79 рисунков, 5 таблиц, списка использованных источников, содержащего 121 наименование, и 1 приложения.