автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Моделирование ионно-лучевых технологических процессов формирования тонкопленочных структур

?Г6 • од

- о ДВГ 1593

МИНСКИЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИЖТИТУТ

На правах рукописи

ПАНКОВ Владимир Викторович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИОННО-ЛУЧЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ТОШЮПЛЁНОЧНЫХ СТРУКТУР

(Социальность 05.27. Об - Технология полупроводников и материалов

электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МИНСК 1993

Работа выполнена в Минском радиотехническом институте

Научный руководитель: академик АН РБ,

доктор технических наук, профессор ДОСТАНКО А. П.

Официальные оппоненты; - доктор технических наук,

профессор Гурский Л И.

- кандидат физико-математических наук, с. н. с. Гременок Е Ф.

Ведуиря организация: НПО "Интеграл" г. Минск

Защита диссертации состоится 16 сентября 1993 г. в 14 часов на заседании специализированного совета Д 056.05.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Минском радиотехническом институте по адресу: 220027, г. Минск, ул. П. Бровки, б.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Минского радиотехнического института

Автореферат разослан

1993 г.

Ученый секретарь специаливированного совета Д. т. н.. профессор

<3 Баранов Е Е

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В связи с быстрым прогрессом в оптоэлек-тронике и, в частпости, в области изготовления крупноформатных матричных жидкокристаллических (КК) и злектролюминесцентних (ЭЛ) экранов, возникла острая потребность в прозрачных проводящих слоях на основе In-Sn-0 (IT0) и электролюминесцентных слоях ZnS: Мп, отвечающих целому ряду специфических требований: однородность свойств на больших площадях, воспроизводимость химического состава. Наиболее полно обеспечивает выполнение указанных требований технология ионно-лучевого распыления (ИЛР), основанная на использования пучков ионов для распыления мишени с целью переноса материала мишени на подложку, а также для ионной бомбардировки подложи с целью очистки или модификации свойств осаждаемых слоев. Данный метод не оказывает радиационного воздействия на растущую плёнку, а использование реактивных газов позволяет гибко управлять химическим составом получаемых слоёв. Это особенно важно при формировании слоев IT0 и ZnS, чьи свойства определяются степенью совершенства их кристаллической структуры и степенью стехиометричности их химического состава.

Однако, основной проблемой, стояшей на пути совершенствования существующих и разработки новых способов формирования методом ИЛР высококачественных ППП на основе In-Sn-О и электролюминесцентных слоёв Zn3: №>, является отсутствие полного и ясного понимания понимания физико-химических закономерностей процессов, протекающих при формировании указанных слоёв данным методом, так как необходим учёт наличия в конденсируемом потоке высокоэнергетичной и заряженной компоненты, а такта процессов химического взаимодействия.

Между тем, существует ряд методов физического и математического моделирования, позволяющих зффэотивно устанавливать физико-химические закономерности формирования тонкоплёночных структур. Это - хорота известный метод, именуемый в данной работе "макетным моделированием", который предполагает формирование тонкоплёночного образца в экспериментальной установи с использованием макета технологического устройства и последующий перенос образца в аналитический прибор для исследования. Другой - метод in sltu-моделирова-ння - предполагает объединение вакуумных объёмов технологического и аналитического оборудования, что обеспечивает высокую достоверности- получаемой икформоцни и эффективность метода.

Среди существующих методов in situ-aaannsa кристаллической структуры тонких плёнок проовечивавщая электронная микроскопия in situ является наиболее иошцш инструментом. Од нага, существующие систеш in situ-моделирования ионно-лучевых процессов характеризуются низкими аналитическими возможностями и узким кругом моделируемых процессов.

Таким образом, на пути совершенствования иоино-лучевой технологии формирования многокомпонентных функциональных слоев, иополь-эуемых в оптоэлектроникв, стоит ряд актуальных 8адач теоретического, методологического и практического характера, решение которых и легло в основу наотояшрй работы.

Целью диссертационной работы являлось установление закономерностей формирования методом ИЛР тонкоплёночных структур на основе In-Sn-О и ZnS: Ж и разработка новых способов формирования высококачественных прозрачных проводящих и электролюминесцентных слоев для КК- и ЭЛ-индикаторов и матричных экранов.

Дня достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать методику и аппаратуру для эффективного изучения процессов формирования методом Ю1Р тонкоплёночных структур;

- исследовать кинетику начального роста тонких плёнок In-Sn-0 И ZnS: to;

- последовать влияние различных технологических факторов на свойства тонких плёнок In-Sn-О, осаждаемых на аморфные подложи методом реактивного ИЛР;

- разработать математическую модель, описывающую процесо формирования кристаллической структуры вакумных конденсатов ZnS: Мп, осаждаемых на аморфные подложки;

- исследовать влияние различных технологических факторов на структурные свойства тонких пленок ZnS: Mh, осаждаемых на аморфные подложки;

- изучить возможность использования ориентирующих подолоев для формирования крупнокристаллических плёнок ZnS: Мп.

Научная новизна

1. Впервые проведены исследования начальных стадий роота и установлены закономерности формирования кристаллической структуры вакуумных конденсатов In-Sn, In-Sn-О и ZnS: Мп, осаждаемых методом ИЛР на аморфные подложки.

2. Исследованы злектрооптичесгае и структурные характеристики

плёнок 1п-Зп-0, полненных методом реактивного ИЛР на аморфных подложках при различных температурах кристаллизации и различных добавках кислорода в рабочей смеси.

3. Проведены исследования рекристаллизационных изменений в процессе вакуумного отжига плёнок 1п-5п-0, полученных методом реактивного ИЛР при различных температурах кристаллизации, добавках кислорода и различной длительности выдержки плёнок на атмосфере.

4. Предложена математическая модель столбчатого роста вакуумных конденсатов на аморфных подложках, позволяющая описать процесс формообразования столбчатых 8§рен и объясняющая образование зоны начального разупорядоченного роста.

5. Исследовано ориентирующее влияние подслоев ЗЮ2, , А1203, НГ02, 1Т0, Си/1Т0, 2пЗ на процесс последующего роста плёнок гпЗ: Мп и показана возможность гетероэпитаксиального наращивания гпЭ: № на рекристаллизованном 1ТО-подслое.

Пршггическая ценность работы.

1. Разработана система статического 1п б Ни-моделирования ионно-лучевых технологических процессов формирования тонкоплёночных структур, реализованная на базе просвечивающего электронного микроскопа ЭМ-125 и позволяющая моделировать процессы осаждения методом ИЛР, ионного травления, осаждения в условиях ионного облучения, вакуумного отжига, обеспечивая при зтом возможность исследования образца с разрешением по точкам не хуже 3 А.

2. Предложен способ формирования высококачественных прозрачных проводящих покрытий на основе 1п-5п-0 методом реагаивного ИЛР на холодных подложках с последующим вакуумным отжигом.

3. Предложен способ формировании нерекристаллизующихся аморфных прозрачных проводящих покрытий на основе 1п-5п-0 методом реактивного ИЛР.

4. Предложен способ формирования крупнокристаллических электролюминесцентных слоев 2пЗ: Мп на аморфных подложках методом ИЛР с использованием ориентирующих подслоев.

5. Предложен способ формирования методом ИЛР гетероэпитакси-альных слоёгз ТлЗ: №1 с высоким кристаллическим совершенством на монокристалле 1п203 и аморфных стеклянных подложках с использованием ре кристаллизованного Iп-Бп-О-подслоя.

Внедрение и использование результатов.

Разработанная система статического 1п 5Ни-моделирования ионно-лучевых технологических процессов формирования тонкоплёночных

структур используется в НИЛ кафедры ТРЭД Минского радиотехнического института при выполнении научно-исследовательских работ.

Разработанная технология формирования высококачественных прозрачных проводящих покрытий (ППП) на основе 1п-3"п-0 методом реактивного ИЛР внедрена в опытное производство на НПО "Платан" (г. Ярязино), где используется для изготовления электродов матричных ЖК-экранов.

Установленные закономерности формирования 1ТО-плёнок методом реактивного ИЛР и предложенные способы формирования высококачественных ППП заложены в основу линии непрерывного действия, изготавливаемой на Сморгонском заводе оптического станкостроения и предназначенной для производства активных матричных Щ-экранов.

На защиту, выносятся следующие основные результаты работы:

1. Система статического Ш моделирования ионно-лучевых технологических процессов формирования тонкоплёночных структур.

2. Закономерности начального роста тонких плёнок 1п-5п, осаждаемых методом ИЛР на аморфные подложки.

3. Закономерности формирования тонких плёнок 1п-Бп-0 методом реактивного ИЛР на аморфных подложках.

4. Закономерности вакуумного отжига тонких плёнок 1п-5п-0, полученных методом реактивного ИЛР.

5. Математическая модель столбчатого роста вакуумных конденсатов на аморфных подложках.

6. Закономерности формирования тонких плёнок гпБ: Мп методом ИЛР на аморфных подложках.

7. Экспериментальные результаты использования подслоев для формирования крупнокристаллических плёнок гпЗ: № методом ИЛР на аморфных подложках.

8. Экспериментальные результаты гетероэпитаксиального.роста плёнок Мп, осаждаемых методом ИЛР, на рекристешшзованном ГГО-подслое.

9. Способы получения высококачественных прозрачных проводящих и электролюминесцентных слоёв методом ИЛР.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции "Применение электронной микроскопии в науке и технике", Милок, 27-28 окт. ,1987"; научно-технической конференции "Новые материалы микроэлектроники", Одесса, ноябрь, 1988; 1-й Всесоюзной Школе-семинаре "Разработка и внедрение в народное хоэяйство персональных ЭВМ", Минск, 1988";

Третьей республиканской научно-технической конференции "Применение электронной микроскопии в науке и технике", Минск, 29-30 октября 1991 г. "; 13-й конференции Международного общества по гибридной микроэлектронике, Республика Польша, октябрь 9-12, 1989; 1-м международном научно-техническом семинаре "Прикладные вопросы ионной имплантации", Сморгонь, Республика Беларусь, 17-20 ноября 1992 г.

Работа выполнялась в рамках республиканских комплексных научно-технических программ 18. 02р и 27. ОЗр, ряда хозяйственных и госбюджетных IMP в период 1985Н993 г. г..

Публикации. По материалам диссертационной работы имеется 14 публикаций, в том числе 1 авторское свидетельство и 1 положительное решение на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа содержит 139 страниц машинописного текста, 57 рисунков, 16 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (211 наименований) и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована научяо-техиическая проблема, обоснована еб актуальность, сформулированы цель и задачи исследований, изложены основные результаты п положения, выносимые на защиту.

В первой главе- проанализированы литературные данные, касающиеся общих особенностей формирования вакуумных конденсатов методами ионного распыления, определены основные проблемы получения данными методам! высококачественных тонкопленочных слоев In-Sn-0, ZnS и даны наиболее перспективные пути решения указанных проблем.

Дана краткая характеристика ионно-лучевых процессов, использующих пучки ускоренных до 0. 3^2 кэВ ионов для реиения различных технологических задач. Сформулированы основные достоинства метода ИЛР в сравнении с методами ионно-плазменного распыления, а такта ого перспективность для формирования крупноформатных матричных экранов по технологии "in line". Показаны достоинства метода реактивного ИЛР и его недостаточная изученность. Дана развёрнутая характеристика состава и энергетического спектра конденсирующегося потека Проанализированы особенности формирования вакуумных конденсатов методами ионного распыления, обусловленные повштешюй энергией кондопсирую'лихсн частиц и наличием в конденсирующемся поток«? гарядовой компоненты.

Представлены экспериментальные результаты в области формирования ППП на основе 1п-Зп-0 и электролюминесцентных слоев на основе гпЗ методами ионного распыления и сделан анализ влияния различных технологичеасих факторов (температуры кристаллизации, состава рабочего газа, скорости осаждения, типа подложки, термического отжига и других) на структурные и элактрооптические характеристики этих плёнок. Дан анализ различных математических моделей столбчатого роста вакуумных конденсатов.

Установлено, что одним из основных направлений, обеспечивающих улучшение электрооптических характеристик ППП на основе 1п-Бп-0 и электролюминесцентных слоев гп5: является повышение степени совершенства их кристаллической структуры. Показано, что получение крупнокристаллических плёнок 1п-Зп-0 и 2п5: Мп методами ионного распыления в настоящее время является нерешённой проблемой и может быть достигнуто следующими способами:

- использование технологии ИЛР;

- оптимизация технологических параметров;

- изучение начальных стадий роста и выявление размерных эффектов, приводящих к формированию крупнозернистой фазы;

- использование рекристаллизационного отжига;

- использование ориентирующего действия различных подслоев.

Показано, что среди методов физического моделирования, позволяющих устанавливать физико-химические закономерности формирования вакуумных конденсатов, метод 1п б Ий-моделирования характеризуется более высокой эффективностью по сравнению с методом макетного моделирования. Установлено, что при поиске оптимальных режимов формирования тонких плёнок Гп-Бп-О и гпБ: Нп наиболее целесообразным с точ)си эрания эффективности и достоверности исследований является сочетание обоих методов моделирования.

Дана развёрнутая классификация способов реализации метода 1п б!и1-моделирования. Показаны недостатки существующих систем 1п б Ни-моделирования ионно-лучевых технологических процессов формирования тонкоилёночных структур в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМе) н сформулирован способ их устранения - реализация метода статического 1п нНи-моделирования в ПЭМо с ипользованием приставки к микроскопу.

Вторая глава посвящена разработке методики и аппаратуры, позволяющих э$4е1Стивно изучать процессы формирования тонкоплёночных структур методом ИЛР.

Разработана методика исследований, предполагающая изучение влияния температуры кристаллизации, состава рабочего газа, температуры отжига и ориентирующих подслоев на кристаллическую структуру плёнок ITO и ZnS: Мп методом макетного моделирования, а изучение кинетики роста и рекристаллизации этих плёнок - методом in situ-моделирования.

Описана методика приготовления неориентирующих электронопроз-рачных плёнок-подлогак на основе аморфного углерода, используемых в дальнейшем как для макетного, так и для in situ - моделирования.

Описана система макетного моделирования, реализованная на базе вакуумной установки УРМ-2М, оснащённой ионно-лучевой распылительной системой. Распылительная система включала в себя два ионных источника типа ускорителя с анодным слоем, предназначенных для формирования пучков ионов на мишень и на подложку. Для проведения исследований влияния температуры кристаллизации и отжига на свойства тонких плёнок была разработана система контролируемого ИК-наг-рева подложкодержателей. до 700°С.

Показано, что в процессе формирования тонкоплёночных структур имеет место нагрев подлолаш за-счёт ИК-излучения катода-компенсатора н мишени, а также вследствие бомбардировки подложки ускоренными ионами при ионной очистке и высокоэнергетичными частицами распыленного потока - при осаждении. Установлено, что для исключения нагрева подложки выае 50°С при проведении в статическом режиме процессов ионной очистки и осаждения с компенсатором время воздействия на подложку не должно превышать Z мин, а при осаждении без компенсатора - 5 минут. Для процессов, проводимых в режиме вращения карусели, никаких ограничений нет.

Разработана систома статического in situ-моделирования ион-но-лучевых технологических процессов формирования тонкоплёночных структур, позволяющая моделировать процессы осаждения методом ИЛР, ионной очистки, осаждения в условиях ионного облучения, вакуумного отжига Система реализована на базе просвечивающего электронного микроскопа ЭМ-125, имеющего разрешение нэ хуже ЗА и лишена недостатков, присущих существующим системам in situ-моделирования ион-но-лучевых процессов в ПЭ!,й. Основой системы явилась приставка для осаждения, ионного облучения и нагрева объекта, закреплённого в стандартном патрончике. Приставка образует с микроскопом общий вакуумный объём на протяжении всего хода эксперимента, что позволяет переносить объект с помощью штока на позицию исследования на любом

этапе (формирования тонкой плёнки. Размещение двухступенчатого тонно-лучевого источника типа ускорителя с анодным слоем в корпусе приставки полностью исключило его паразитное влияние на работу микроскопа в режиме высокого разрешения. Приставка оснащена устройством контролируемого нагрева объекта, представляющим собой столик, нагреваемый до 400°С и снабженный термопарой.

Проведены 1П зИи-исследования кинетики роста тонких плёнок Ш+дап на аморфных подложках, позволившие на примере легкоплавких и дегкоокисляемых плёнок 1п-Бп подтвердить соответствие структуры моделируемых плёнок структуре реальных образцов, а такжа выявить общие закономерности начального роста металлических конденсатов, осавдаемых методом ИЛР на аморфные подложки.

Установлено, что независимо от температуры кристалливации процессы коагуляции преобладают над процессами коалесценции на стадии, предшествующей достижению плёнкой сплошности. Обнаружено формирование на определённом этапе осаждения бидисперсной плёнки с включениями аномально крупных островков.

Статистическая обработка микрофотографий различных стадий роста плёнок 1п-Бп, выращенных при 25, 130 и 200°С, позволила построить зависимости концентрации и среднего диаметра частиц от аффективной толщины плёнки. Анализ полученных зависимостей по существующим методикам позволил определить коэффициент поверхностной диффузии (3.2-10-10см2-о-1 при ТПодл-25°С и 6.4-10"1Осм2-с"1 - при Тполл=200°С), диаметр критического зародыша (4 нм при ТПодл=25°С и 6.5 нм - при 200°С), энергии активации. поверхностной диффузии (0.2 эВ) и поверхностного роста (0.13 эВ). Сравнение полученных значений энергий активации со значениями, приведенными в литературе для метода термического испарения, позволило сделать вывод о том. что при осаждении методом ИЛР поверхностная диффузия протекает более интенсивно, а рост частиц - менее интенсивно.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям методами макетного и 1п 5Ни-моделирования процесса формирования тонких плёнок 1п-Бп-0, осаждаемых реактивным ИЛР мишени Ш+БХЭп.

Установлено, что 1Т0-пл§нки с минимальной величиной удельного поверхностного сопротивления ра получаются в узком дипапазоне добавок кислорода в рабочей смеси Аг-02 - при добавках 78*83Хк а оптически прозрачные плёнки - при добавках более 782. Увеличение температуры кристалливации приводит к общему снижению электрического сопротивления и увеличению оптического пропускания IТО-плёнок

при сохранении абсолютных значений "оптимальных" добавок,, хотя минимум рп выражен не так резко. В данной работе IT0-плёнки толщиной 90 нм с лучшими электрооптическими характеристиками получены при добавках кислорода 80Z и имели: при ТПоип-25°0 рп-60 Ом/а и Кпроп - не менее 85Х в диапазоне 440+680 нм; при ТПолп-300°С ро-30 Ом/о и Кпроп - не менее 88%. ITO-плёнки с Кпроп - более 83% получаются при добавках кислорода - более 7BZ.

Показано, что при осаждении 1ТО-плёнок на холодные подложки увеличение добавок кислорода в смесй Аг-02 приводит к аморфизацйи первоначально металлической пленки вследствие окислительных процессов и при добавках 40% имеет место переход от лоликристалличес-кой к квазиаморфной структуре с сильным максимумом электронограм-мы, соответствующим ОЦК-решётке 1п203. При добавках 80т90% на поверхности квазиаморфной плёнки появляются зародыши рекристаллизации - сферолиты, имеющие ОЦК-структуру 1п20э и полностью исчезающие при увеличении добавок выго 90Х. Появление сферолитов в холод-ноосаждённых ITO-плёнках подтверждает возможность протекания для метода ИЛР рекристаллизационного отжига в осаждаемых плёнках уже при комнатных температурах.

ITO-плёнки, осаждённые при 150°С, имеют аксиально текстуриро-ванную поликристаллическую структуру с ОЦК-решёткой 1п203 и характеризуется наличием в плёнке отдельных азимутально текстурирован-ных участков. Размер зерна таких плёнок не зависит от содержания в них кислорода в диапазоне добавок 75^-85% и составляет 20^50 нм.

ITO-плёнки, осаждённые при 300°0, характеризуются аксиальной текстурой, отсутствием азимутально текстурированных участков, а также сильной зависимостью размера верна от содержания в плёнках кислорода: при добавках кислорода в смеси - 75% размер верна составляет 10^-20 нм, при 80% - 50т80 нм, а при 85% - 100Я50 нм.

Результаты in situ-моделирования кинетики роста 1Т0-плёнок показали, что на горячих подложках имэет место явление вторичной кристаллизации на поверхности плёнки, уже достигшей сплошности. Однако, в отличие от 1Т0-плёнок, полученных при Тпопл=150°0, для плёнок, выращенных при 300°С, на определённых стадиях роста процессы коалесценции имеют некоторые особенности: образование крупных частиц кометообразной формы с вытянутым "хвостом" - миграционным следом, а на поздних стадиях роста - огранение кристаллических зёрен в виде квадратов и шестиугольников.

Изучение процесса вакуумного отжига ITO-плёнок, полученных

методом реактивного ИЛР, позволило установить ряд закономерностей. Обнаружено, что в ITO-плёнках, осаждённых при температуре подложки выше 75°С, даже при температуре отжига 50ü°C рекристалливационных изменений не наблюдается. Однако, в холодноосаждённых IТО-плёнках, полученных при "оптимальных" добавках кислорода (BOX), процессы первичной рекристаллизации начинаются уже при 120°С с образования сферолитов, причём преимущественно в областях, прилегающих к посторонним включениям. Как показали in situ- исследования, увеличение температуры отжига приводит к увеличению площади рекристалли-Бовавшейся области, причём как 8а счёт миграции межзёренных границ, так и за счёт частичного поглощения малых вёрен с малоугловыми границами их более крупными соседями. Ужа при 160°С имеет место полная рекристаллизация всей поверхности плёнки с образованием зёрен размером более 800 нм и ОЦК-решёткой 1пЕ03, Отжиг при более высоких температурах приводит к незначительному росту зёрен. Однако при Тотх=200т250°С в плёнках возникают сильные сжимающие напряжения, приводящие к деформации зёрен, а при более высоких температурах отжига внутренние напряжения меняют знак на растягивающие, в результате чего в плёнке появляются разрывы по границам зёрен.

Установлено, что для IТО-плёнок, полученных при "оптимальных" добавках шшорода, средний размер зёрен, образовавшихся в результате отжига, а также значение температуры завершения первичной рекристаллизации - максимальны по сравнению с плёнками, полученными при других значениях добавок, и составляют 800 нм и 160°С соответственно. Для сильно недоокисленных плёнок температура завершения первичной рекристаллизации заметно ниже, а для перекисленных -минимальна (125°С).

Для IT0-плёнок, полученных при "оптимальных" добавках кислорода, выдержса на атмосфере вплоть до трёх суток никакого влияния ■на процесс их последующей рекристаллизации не оказывает. Однако в плёнках, полученных в чистом кислороде, размер рекристаллизован-ного зерна заметно увеличивался, причём тем больше, чем дольше плёнка находилась на атмоофере. Температура завершения первичной рекристаллизации не зависит от выдержки ITO-плёнок на атмосфере.

Как покаэали исследования, вакуумный отжиг холодноосаждённых ITO-плёнок-приводит к общему снижению величины pD независимо от добавок кислорода и повышению их оптического пропускания в видимой области спектра Минимум сопротивления достигается при добавках, превышающих "оптимальные". В данной работе ITO-плёнки толщиной 80

им о лучшими электрооптическими характеристиками получены при осаждении с добавками кислорода 901 и последующем вакуумном отжиге при температуро 200°С в течение 10 минут. Такие плёнки имели ра-25 Om/d и Кпроп - не менее QQX. в диапазоне 440^680.

Четвёртая глава посвящена математическому моделированию процесса формирования столбчатой структуры вакуумных конденсатов ZnS, осаждаемых на аморфные подложки, а также экспериментальным исследованиям процесса формирования тонких плёнок ZnS: til методом ИЛР керамической мишени ZnS+ШП на аморфных подложках, в том числе о использованием различных ориентирующих подслоев.

Предложена математическая модель столбчатого роста, в основу которой положена концепция одновременного роста большого числа цилиндрических островков до их взаимного смыкания. При этом был использован математичестай аппарат, описывающий кинетику роста полусферических островков, преобразованный для случая Постоянных источников и островков цилиндрической формы.

Согласно предложенной модели в результате стабилизирующего действия поверхностной диффузии на поверхности подложки образуется периодическая структура критических зародышей с размером, определяемым из теории Френкеля следующей формулой:

R*(0> - штйет • (1)

где y - коэффициент поверхностного натяжения зародыша на границе зародыш-пар; ы - атомный (молекулярный) объём новой фазы, к - постоянная Больцмана; Т - температура подложки; J - плотность конденсируемого потока; г - время жизни адатома на подложке; пао - равновесная концентрация адатомов.

В соответствии с теорией температурных зон расстояние между соседними зародышами хш определяется длиной диффузионного пробега адатома Х0:

8n2(o2oeDo 20T+15Tm - kTóv ехр( ЗТ ^ ' ^

где Бо - коэффициент поверхностной диффузии; Ти - температура плавления; с - плотность поверхностной энергии; е - число атомов на единицу поверхности; 6 - размер атома; V - скорость осаждения.

На ранних стадиях роста частиц массоперенос осуществляется преимущественно за счёт поверхностной диффувии адатомов. При этом кинетика роста цилиндрического островка определяется квадратичной

зависимостью его радиуса I? от расстояния до подложки (1:

ь>т/п\2/ап. т9»/п

где Рп.г - плотность удельного граничного потока при диффузии по поверхности и из газовой фазы соответственно, а - параметр решётки, - коэффициент.

Согласно существующим теориям коалесценции островковых плёнок. при Достижении плёнкой критической толщины, определяемой формулой (4). имеет место смена механизма массопереноса.

Дальнейший рост частиц протекает преимущественно за счёт присоединения конденсирующихся атомов непосредственно из газовой фа-эы. При атом зависимость радиуса островка от расстояния до подложки имеет линейный характер:

Согласно представленной модели максимальный диаметр зёреЧ определяется начальным распеределением и равен Хп. Сделано предположение о причине возникновения области начального разупорядоченного роста вследствие заполнения образующихся пор мелкозернистой фазой. Профили столбчатых зёрен, рассЧитаные по представленной модели для различных температур кристаллизации, хорошо согласуются с известными экспериментальными данными.

С использованием метода 1п БПи-моделирования установлены особенности процесса кристализации плёнок 2п5: № на аморфных подложках, обусловленные спецификой метода ИЛР:

- обнаружен размерный эффект вторичной кристаллизации: на поверхности плёнки, уже достигшей сплошности, независимо от температуры кристаллизации образуются вторичные центры зарождения;

- плёнки Мп, полученные при температуре ниге 150°п, имеют

• [(?к(0)г+

4^(0)2 кг)2 V» П(0)г

-|1/2 1)] ~ Т2Г1 .

(5)

pasупорядоченную мелкозернистую структуру с ГЦК-решёткой ZnS (средний размер зерна составляет 15+20 нм при толщине плёнки 80 нм), что свидетельствует о разрушении столбчатой структуры высоко-энергетичными атомами отдача в указанном температурном диапазоне;

- рост плёнок ZnS: Мп при ТПолл-300°С приближается к идеальному: формирование зоны начального разупорядоченного роста, затем резкий рост диаметра зёрен, существование критической высоты изменения угла наклона границ зёрен; при данной темпеатуре кристализа-ции плёнка имеет смешанную-ГЦК-ГПУ-решётку ZnS;

- подтверждено, что независимо от температуры кристаллизации средний диаметр зёрен в плёнках ZnS: Мп увеличивается о ростом толщины плёнки (при ТПолл=300°С увеличение толщины плёнки с 30 до 80 нм приводит к росту среднего размера зёрна с 10 до 130 нм)-,

- при толщине плёнки менее 30 нм между средним диаметром зёрен и температурой кристаллизации существует линейная зависимость, тогда как при толщине более.30 нм эта зависимость приобретает квадратичный характер (см. формулы (3) и (5)).

Исследование влияния различных подслоев на процесс кристаллизации плёнок ZnS:Мп позволило установить, что подслои Si02, Si3H4, А1203 не увеличивают размер зерна в. слое ZnS: хотя и вызывают некоторые изменения морфологии поверхности слоя ZnS: №. Лишь использование HfOi-подслоя позволяет увеличить размер зерна в плёнках ZnS: Mi в четыре раза Показано, что использование в качестве ориентирующего подслоя плёнки рекристаллиэованного ZnS - не целесообразно, так как получаемые слои ZnS: Hi характеризуются большим разбросом частиц по размерам. Установлено, что вакуумный отжиг плёнок ZnS: № - неэффективен, так как при температуре отжига 200°0 и ниже незначительно увеличивает размер верна, а при болев высоких температурах приводит к интенсивному порообразованию.

Использование в качестве ориентирующего подслоя ITO-плёнок, а также плёнок Cu/ITO с буферным островковыы слоем Си, позволило получить плёнки ZnS: Мп с размером зерна, в 4+15 раз превосходящим размер для плёнок, подученных при аналогичных режимах без подслоя.

Исследование роста пленок ZnS: № на монокристалических зёрнах рекристаялизоваяного ГГО-подслоя показало, что уже при 100°0 имеет место эффект гетероэпитаксиального наращивания. Увеличение температуры кристаллизации слоя ZnS: № приводит к усилению этого эффекта и в диапазоне 150;200°0 формируются гетероэпитаксиальные плёнки ZnS: Нп о высоким кристаллическим совершенством. При более

высоких температурах имеет место разупорядочение структуры вследствие возникновения в ITQ-слое значительных внутренних напряжений.

В пятой главе приводится описание предложенных способов формирования высококачественных ППП на основе In-Sn-О и электролюминесцентных слоев для ЯК- и ЭЛ-индикаторов и экранов.

Так взамен способа осаждения ITO-плёнок методом реактивного ИЛР на нагретые до 300°С подложки предложен способ осаждения на холодные подложки с последующим вакуумным отжигом при температуре не более 200°С. В результате получены плёнки с лучшими характеристиками и при этом не требуется нагрев подложкодержателей в процессе осаждения.

Далее, известен способ формирования на холодных подложках аморфных ITO-плёнок, имеющих неразвитую морфологию поверхности, обеспечивающую высокую надёжность индикаторов, но нестабильных во времени, особенно при повышенных температурах. Взамен предложен способ формирования методом реактивного ИЛР нерекристаллизуюшихся аморфных ITO-плёнок, обладающих аналогичными злектрооптическими характеристиками, но повышенной температурной стабильностью за счёт кристаллизации при температуре 75НОО°С.

Так как методом ИЛР на аморфных подложках даже при 300°С невозможно получить плёнки ZnS: Мп с размером зерна более 200 нм, а использование отжига также не даёт положительного результата, предложен ряд способов формирования крупнокристаллических слоев ZnS: № на аморфных подложках с использованием ориентирующих подслоев Hf02, Cu/ITO, IТО. Способы позволяют получать тонкоплёночные электролюминесцентные индикаторы (ТПЭ1И) и матричные экраны по технологии "In line" при температурах нагрева подложек не более 150°С.

Успешное выращивание гетероэптиаксиальных плёнок ZnS:Mn на рекристаллизованном ITO-подслое открывает новое направление в области технологии ТПЗЛИ, так как позволяет на аморфных подлож!сах формировать слои ZnS: № с размером зерна, превосходящим все лучшие результаты в данной области. Данный способ также предусматривает изготовление индикаторов и матричных экранов по технологии "in line", причём температура нагрева подложек не превышает "00°С.

Рассмотрены возможные пути эффективного использования разработанной системы in situ-моделирования в области исследования процессов ионно-стимулированной конденсации, а также процессов, сочетающих различные комбинации осаждение - облучение - отжиг. Предло-

жены пути дальнейшего совершенствования системы in situ-моделиро-вания с целью реализации динамических ln si tu-исследований.

В приложении содержатся таблицу идентификации картин микродифракции различных тонкоплёночных образцов, исследовавшихся методом дифракции электронов на пропускание.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны системы макетного и статического in sltu-моде-лирования ионно-лучевых технологических процессов, позволяющие устанавливать закономерности формирования тонкоплёночных структур. Система in situ-моделирования реализована на базе просвечивающего электронного микроскопа ЭМ-125 и позволяет моделировать процессы осаждения на холодные и нагретые подложки, осаждения в условиях ионного облучения, процессы ионного травления и вакуумного отжига, обеспечивая при зтом возможность исследования микроструктуры образца с разрешением не хуже 3 А на любом этапе его формирования.

2. Проведены in situ-исследования начального роста плёнок In-Sn на аморфных подложках и установлено, что при осаждении мото-дом ИЛР процессы поверхностной диффузии адатомов протекают более интенсивно, чем при осаждении методом термического испзрения, а процессы поверхностного роста частиц - менее интенсивно. Установлено также преобладание процессов коагуляции над процессами коа-лесценции на стадии, предшествующей достижению плёнкой сплошности, причём независимо от температуры кристаллизации пленок In-Sn.

3. Исследовано влияние состава рабочего газа и температуры кристаллизации на физические свойства плёнок In-Sn-O, полученных методом реактивного ИЛР, и определены оптимальные значения добавок кислорода в рабочей смеси, обеспечивающие формирование высококачественных ППП на холодных и горячих подлом?ах. Экспериментально подтверждено, что совершенствование кристаллической структуры ITD-плёнок приводит к улучшению их электрооптических характеристик. Обнаружены рекристаллизационные эффекты в холодноосаждённых ITO-плёнках, полученных при добавках кислорода 80*90%.

4. Проведены in situ-исследования начального роста тонких плёнок ¿n-Sn-ü на аморфных подложках и обнаружено явление вторичной кристаллизации на поверхности плёнки, достигшей сплошности, при осаждении на подложки, нагретые до 1Б0°С и выше. При температуре кристаливашш 30ü°C обнаружено образование частиц с мнграци-

онннм следом, а такде появление зёрен с кристаллической огранкой в виде квадратов и шестиугольников на поздних стадиях роста

5. Установлено, что ITO-плёнки, полученные при температуре кристаллизации выше 75°С, имеют термодинамически стабильную структуру, не рекристаллизующуюся в диапазоне 25^-500°С, на основе чего предложен способ формирования аморфных ППП, обладающих неразвитой морфологией поверхности и стабильными свойствами. Установлено, что вакуумный отжиг холодноосаждённых квазиаморфных ITO-плёнок уже при 160°С приводит к их полной рекристаллизации с образованием аномально крупных зёрен (размер - более 800 нм) и равновесной структурой, а также улучшает электрооптические характеристики плёнок. Доказаны преимущества данного способа по сравнению с осаждением на нагретые подложки при формировании высококачественных ППП. Установлена зависимость рекристаллизационных изменений в ITO-плёнках от содержания в них кислорода и длительности выдержки на атмосфере.

6. Предложена математическая модель столбчатого роста вакум-ных конденсатов, описывающая процесс формообразования столбчатых зёрен да основе смены механизма роста цилиндрических островков при достижении ими критической высоты. Показано, что возникновение зоны начального pasупорядоченного роста обусловлено образованием пор и их заполнением мелкозернистой фазой, а также повышенной дефектностью структуры начальной области столбчатых зёрен.

7. Проведены In situ-исследования начального роста плёнок ZnS: Мп на аморфных подложках и обнаружено явление вторичной кристаллизации на поверхности плёнки, достигшей сплошности, причем независимо от температуры подложки. Установлено, что при температуре кристаллизации не более 150°С вторичные атомы отдачи препятствуют формированию столбчатых зёрен, что приводи!' к образованию плёнок с раэупорядоченной мелковернистой структурой. Установлено, что при температуре кристаллизации 300°С и выше формируются слои ZnS: Мп с крупнокристаллической столбчатой структурой, причём диаметр зёрен увеличивается с ростом расстояния до границы плёнка-подложка

8. Установлено, что вакуумный отжиг пленок ZnS:Мл, полученных методом ИЛР, не приводит к суцесгвенному росту размера их зёрен, однако использование подслоев НГО2, Cu/ITO, IT0 при осаждении плёнок ZnS: №i на аморфные подложки позволяет увеличить размер зерна в 4?15 раз по сравнению с плёнками, полученными при аналогичных рогашх баз подслоя. Впервьи методом Ю1Р на аморфных подложках с использованием рекристаллизованного IT0-подслоя получены готероэ-

питаксиальные слои ZnS: № с размером верна более 800 нм. Предложен ряд новых способов изготовления ТПЭЛИ по технологии "in line".

9. Разработанная технология формирования высококачественных ППП на основе In-Sn-0 методом реактивного ИЛР внедрена на НПО "Платан" (г. Фрязино), где используется для изготовления электродов матричных ЖК-окранов. Установленные закономерности формирования ITO-плёнок и предложенные способы формирования высококачественных ППП заложены в основу линии непрерывного действия, изготавливаемой на Сморгонском заводе оптического станкостроения и предназначенной для производства активных матричных ЖК-экранов.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Телеш Е. В., Панков R Е Исследование структуры тонких плёнок диборида титана с помощью просвечивающего микроскопа. -В сб.: "Применение электронной микроскопии в науке и технике. Материалы научно-технической конференции. Минск, 27-28 окт. ,1987", с. 18.

2. Телеш Е. В. , Панков В. В., Дементьев В А., Мухамедшина ÍL Ii Исследование свойств тонких плёнок диборида титана. -В сб. "Новые материалы микроэлектроники -Киев:ИПМ АН УССР, 1988, с. 68-72.

а. Кулаковекий П. Р. , Левчук Н. Е., Панков В В. Автоматизированная система исследований методом ПЭМ - В сб.:" 1-я Всесоюзная Школа-семинар "Разработка и Енедрение в народное хозяйство персональных ЭВМ". Часть III. Минск, Ш10ВТ, 1988", с. 154-15Ь.

4. Levchuk N. Е. , Shiripov V.Y., Dostanko А. P., Khckhlov A. E. , Pankov V. V. The capabilities of ion-beam sputtering process diagnostics in the transmission electron microscope (ТЕМ). -"13-th. Conference of the international society for hybrid microelectronics

- poland chapter. Abstracts. Szklarska Poreba, October 9-12, 1989". -Institute of Electron Technology Technical University of Wroclaw, 1089, p. 18.

5. Отчёт no НИР "Разработать ионно-лучевые методы нанесения тонкопленочных покрытий оптического назначения на подложш1 размером 260*200 мм", N ГР 01880004299, Минск, 1990.

б. Достшшо А. IL , Ширипов R Я , Хохлов А. Ё., Погребняков А. В , Панков В. В , Бойко Е. Б., Комаров Ф. Ф., Толочко 0. а , Соколов R1- Низкотемпературное формирование плёнок YBa¿Cu¿07-х методом ионно-лучеЕого распыления. - Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1990, т. П, №8, с. 1561-1566.

7. Достанко А. П.. Ширипов Е Я , Левчук R Е., Панков В. Е Способ формирования металлизации кремниевых приборов и интегральных схем - А. с. №1563509 ваявл. 8. 01. 88 МКИ H01L 21/265, дата per. 8.01.90.

8. Отчёт по НИР "Исследовать комплекс физических явлений, изучить их технологические возможности и разаботать перспективные методы формирования высоконадёжных тонкоплёночных структур для изделий микро-, функциональной электроники и оптики на основе низко-энергетиченой ионной обработки материалов". ГВЦ 88-3003. N ГР 01880001292. Минск, 1991.

9. Панков В. Е , Левчук Н. Е., Ширипов В. Я , Достанко А. П. Приставка к электронному микроскопу ЭМ-125 для изучения роста тонких плёнок непосредственно в колонне микроскопа. -В сб. "Применение электронной микроскопии в науке и технике. Тезисы докладов Третьей республиканской научно-технической конференции. Шнек, 29-30 октября 1991 г.", с. 15.

10. Гайдукевич Ю. Ч., Забелин А. В., Панков В. Е , Домарёнок Н. И. Система ввода электронно-микроскопического изображения в ЭВМ. -В сб. "Применение электронной микроскопии в науке и технике. Тезисы докладов Третьей республиканской научно-технической конференции. Минск, 29-30 октября 1991 г.", с. 16.

11. Панков ЕЕ, Левчук ЕЕ., Ширипов ЕЯ, Достанко А.П. Способ изготовления тонкоплёночного электролюминесцентного индикатора - Пол. реш. W 4950484/25-054380, заявл. 26.06.91, МКИ Н05В 33/30.

12. Исследовать динамику физико-химического взаимодействия низкоэнергетичных (до 150 эВ) сильноточных (более 0.5 А) пучков ионов с конденсирукрмися средами: Отчёт о НИР N ГР 0191004471, Минск, 1991.

13. Панков ЕЕ, Ширипов ЕЯ, Левчук ЕЕ., Достанко А. П. In situ. - исследования процессов зарождения и роста тонких плёнок, наносимых методом ионно-лучевого распыления. - Вакуумная техника и технология, 1993, N 3.

14. Панков Е Е , Ширипов Е Я , Левчук Е Е., Достанко А. П. In situ - исследования процессов зарождения и роста тонких плёнок, наносимых методом ионно-лучевого распыления. - Материалы 1-го международного научно-технического семинара "Прикладные вопросы ионной имплантации", г. Сморгонь, Республика Беларусь, 17-20 ноября 1992 г. , С. 10.