автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Технология получения тонкопленочных структур для оптоэлектроники на основе опытной установки ионно-лучевого осаждения

Введение

Глава I. Обзор используемой литературы и проблематика работы

1.1. Типовые конструкции солнечных элементов и их эффективность

1.2. Физические основы работы солнечных фотопреобразователей

1.3. Технологические методы получения солнечных фотопреобразователей

1.4. Постановка задачи исследования

1.5. Выводы

Глава II. Моделирование процесса осаждения и расчет основных параметров ионно-лучевой установки

2.1. Методика распыления вещества в плазме

2.2. Источник ионов Ошибка! Закладка не определена.

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 III. 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. Выводы

Глава IV. Расчетные и экспериментальные параметры тонкопленочных Si-x солнечных элементов

4.1. Физические принципы осаждения тонких плепок

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

4.4. Вывод Выводы

Список используемой литературы

Основная тенденция развития технологии полупроводниковых приборов и солнечных элементов в частности - повышение контролируемости технологических процессов и степени их совместимости.

Способ локальной эпитаксии из пучков низкоэпергетических 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 очень перспективно. Интересным приложением эпитаксии пленок из ионных пучков является возможность получения метастабильных при нормальных условиях структур, нереализуемых традиционными методами.

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. Кроме того, безмасочный и безрезистивный процесс на основе данного метода значительно упрощает технологию в целом, исключив обычные способы формирования рисунка и благодаря упрощению процесса, увеличивается выход годных приборов.

Ионное осаждение возможно проводить как сфокусированным пучком, для получения локальных структур, так и пучком, разведенным в растр, если необходимо нанесение слоев на всю площадь пластины. С помощью ионного осаждения можно получать слои самых различных элементов: полупроводников, металлов, оксидов, нитридов. С точки зрения изготовления приборов еще более важен тот факт, что одним и тем же методом можно в принципе последовательно осаждать полупроводниковые, изолирующие и металлические слои в чистых вакуумных условиях. Вариацией энергии падающих на подложку ионов в технологической камере могут проводится различные операции: очистка подложки, синтез сложных соединений, эпитаксиальный рост различных структур. 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 очиска поверхности подложки, контактировавшей с окружающей средой, удаляются загрязнения вызванные адсорбированными атомами газа, слоем естественного окисла, атомами и молекулами, сорбированные поверхностью в процессе предшествующих химических обработок, данный процесс высоко и эффективен и не требует больших энергетических затрат.

Таким образом, учитывая все вышесказанное, можно придти к выводу, что основной отличительной особенностью проектируемой установки является ее универсальность и перспективность. Солнечные элементы, полученные с помощью установки ионно-лучевого осаждения, будут отличаться качеством и низкой себестоимостью.

Выводы

Обзор проблематики по литературным данным показал, что использование технологии ионно-лучевого осаждения обеспечивает ряд преимуществ - такие как увеличение качества осаждаемых слоев, значительное уменьшение времени производства тонкопленочных поликристаллических солнечных элементов.

Рассчитаны параметры процесса распыления металлов и полупроводников в ионном источнике.

Разработан и изготовлен ионный источник. Рассчитаны оптимальные параметры распыления и концентрация плазмы в источнике.

Рассчитаны параметры процесса экстракции ионного луча. Произведен расчет оптимального значения напряжения на электродах экстрактора.

Рассчитаны параметры и изготовлено устройство экстракции ионов, показан оптимальный режим работы для процесса осаждения.

Разработано и изготовлено устройство фокусировки ионного луча, показан оптимальный режим работы системы для процесса осаждения. Произведен расчет напряжения и изменение сечения ионного луча в зависимости от напряжения.

Произведен расчет и изготовлено устройство сканирования ионного луча по подложке.

Рассчитан и исследован процесс осаждения тонкопленочных слоев. Было показано, что вывести точную модель осаждения достаточно сложно, трудно предусмотреть все факторы, влияющие на процесс осаждения.

Произведено осаждение металлического контакта на поверхность из кварцевого стекла. Проведен анализ веществ для получения омического контакта.

Произведено осаждение полупроводникового Si слоя р-типа на поверхность из кварцевого стекла с осажденным алюминием и титаном. Легирование полупроводникового слоя Si проводилось А1. [7].

Проведено осаждение базового слоя р-типа (полупроводникового слоя Si). Проведено осаждение высоколегированной области п+-типа. Проведено осаждение контактной гребенки.

Исследованы свойства полученных полупроводниковых и металлических тонких пленок, которые показали возможность создания на их основе достаточно эффективных и дешевых солнечных элементов.

1. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов / / М.: Мир, Том 2, 1984 -■ 455 с.

2. А. П. Сетченков. Техника физического эксперимента // М.: Энергоатомиздат, 1983 240 с.

3. М.М. Колтуна. Солнечные элементы: Теория и эксперимент // М. :Энергоатомиздат, 1987 280 с.

4. Колтун М.М. Солнечные элементы // М.: «Наука», 1987 190 с.

5. М.И. Елинсона, В.Б.Сандомирского. Физика тонких пленок // М.: Издательство «Мир», 1967-396 с.

6. В.И Кузнецов Н. Ф. Немилов В. Е. Шемякин. Эксплуатация ф вакуумного оборудования // М.: «Энергия», 1978 208 с.

7. Л. Ченга, К. Плога. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры / М: «Мир», 1989-582 с.

8. А.И Костржитский, В.Ф Карпов. Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме // М.Машиностроение, 1991-76с.

9. Технология тонких пленок (справочник) /Под ред. Л.Майссела, Р.Глэнга. Т.1. М.: Советское радио, 1977 664 с.

10. Блинов И.Г., Кожитов Л.В. Оборудование полупроводниковогопроизводства // М.: Машиностроение, 1986 264 е., ил.

11. Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии // М.: Высшая школа, 1984 320 с.

12. Радциг А.А, Смирнов Б.М. Параметры атомов и атомных ионов (справочник) // М.: Энергоатомиздат, 1986 344 с.

13. Сеченков А.П. Техника физического эксперимента // ^ М.:Энергоатомиздат, 1983 240 с.

14. Дж. Лоусон. Физика пучков заряженных частиц // М.:Мир, 1980 438с.

15. А.В. Кондратов, А.С Потапенко. Термическое испарение в вакууме при производстве изделий радиоэлектроники // М: «Радио и связь», 1986.

16. В.Н Лозовский, Л.С Лунин. Пятикомпонентные твёрдые растворы соединений А3В5 // Ростов на Дону издательство Ростовского университета, 1992.

17. Ларин М.П. Высоко вакуумные агрегаты с криогенным и магниторазрядным насосами // Приборы и техника эксперимента, 1982, №2, с.130-133.

18. В.В. Крапухин, И.А. Соколов, Г.Д. Кузнецов. Физико-химические основы технологии п/п материалов // М.: Металлургия, 1982 352 с.

19. Ю.В. Липин, А.В. Рогачёв, С.С. Сидорский, В.В. Харитонов. Технология вакуумной металлизации полимерных материалов // Гомель:. Гомельское отдел. Белорус. Инж.технологич. академии, 1994.-206с.

20. Л. Майсела/ Пер. с англ.; М.И. Елинсона, Г.Г Смолко. Технология тонких плёнок: Справочник//М.: Советское радио, 1997.-406с.

21. Белый В.А., Егоренков Н.И., Плескачевский Ю.М. Адгезия полимеров к металлам. // Минск: Наука и техника, 1971. 120с.g 22. Механика полимеров Соголова Т.Н. //.1965.№ 1.С.5-16.

22. Зубков П.И., Сухарева Л.А. Структура и свойства полимерных покрытий. //М.бХимия, 1982. 256с.

23. Липатов Ю.С. Межфазные явления в полимерах. // Киев: Наукова думка, 1975.С.66-93.

24. Курбатов Л.Н. Оптоэлектроника видимого и инфракрасного диапазонов спектра. // М.: Издательство МФТИ, 1999. 320 е.: ил.

25. Привалов В.И. Тихоненко О.Я. Оптоэлектронные структуры намногокомпонентных полупроводниках. // Минск: Высшая школа, 1981. 391 е.: ил.

26. Лозовский В.Н., Лунин Л.С., Благин А.В. Градиентная жидкофазная кристаллизация многокомпонентных полупроводниковых материалов. // Ростов на-Дону: изд-во СКНЦ ВШ, 2003. 376 е.: ил.

27. Акчурин Р.Х., Акимов О.В. Тонкослойные упругонапряженные

28. Л гетероструктуры InAsi.x.ySbxBiy/InSb: расчет некоторых физических параметров.

29. ФТП. 1995. Т.29. Вып.2. С.362-369.

30. Акчурин Р.Х., Сахарова Т.В., Получение узкозонных твердых растворов InAsj-x-ySbxBiy методом жидкофазной эпитаксии. // Письма в ЖТФ. 1992. Т.18. Вып. 10. С. 16-20.

31. Лунина О.Д. Варизонные гетероструктуры AlxGai.xAs/GaAs, выращенные в поле температурного градиента, и их свойства: дис. . канд. Ф.-м. наук. // Новочеркасск, 1982.

32. Лозовский В.Н. Зонная плавка с градиентом температуры. // М.: Металлургия, 1972.240 е.: ил.

33. Маронцук И.Е. Шутов С.В., Кулуткина Т.Ф. Выращивание эпитакеиальных слоев арсенида галлия из раствора в расплаве висмута. // Изв. РАН. Серия Неорганические материалы. 1995. Т.31. №12. С. 1520-1522.

34. Сысоев И.А., Русинов С.В., Письменский М.В., Марченко А.А.с

35. Молекулярная динамика наноструктур на основе А В . // Опто; наноэлектроника, нанотехнологии и микро системы: Тр. VI Междунар. конф.-Ульяновск: УлГУ, 2004.-С.28.

36. Благин А.В., Сысоев И.А., Русинов С.В., Письменский М.В., Моделирование параметров лазерной гетероструктуры с вертикальнымрезонатором. // Опто; наноэлектроника, нанотехнологии и микро системы: Тр. VI Междунар. конф.- Ульяновск: УлГУ, 2004.-С.77.

37. Сысоев И.А., Русинов С.В., Письменский М.В., Марченко А.А.1 с

38. Моделирование получения гетероструктур на основе А В . // Актуальные проблемы современной науки: Тех. науки: Тр. 5-й Междунар. конференция молодых ученых и студентов, 7-9 сент. 2004г.- Самара,2004,- Ч . 43 .-С 21-22.

39. Сысоев И.А., Русинов С.В., Письменский М.В., Марченко А.А.1 t

40. Возможности получения соединений А В методом ионно-лучевого локального осаждения. // Химия твердого тела и современные микро и нанотехнологии: IV Междунар. науч. конф., 19-24 сент. 2004 г.- Ставрополь: СевКазГТУ, 2004.-С. 298-300.

41. Сысоев И.А., Письменский М.В., Принципиальная конструкция ионного источника установки ионно-лучевого осаждения. // Изв.вузов Сев. Кавк.регион Тех. науки.- 2004.- Прил. №9.-С.183-189.

42. Сысоев И.А., Письменский М.В., Изготовление солнечного элемента с помощью установки ионно-лучевого осаждения в едином технологическом цикле. // Изв.вузов Сев. Кавк.регион Тех. науки.- 2004.- Прил. №9.-С. 183-189.

43. Гремешок В.Ф., Бондарь И.В., Рудь В.Ю., Schock H.W., Солнечные элементы па основе пленок CuIni.xGaSe, полученных импульсным лазерным испарением. // Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 3

44. Гук Е. Г., Зимогородова Н.С., Шварц М.З., Шуман В.Б., Многопереходпые кремниевые концентраторные солнечные элементы, изготовленные с помощью диффузионной сварки.// Журнал технической физики, 1997, том 67, №2

45. Андреев В.М., Гетероструктурные солнечные элементы // Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 9

46. Андреев В.М., Хвостиков В.П., Ларионов В.Р., Румянцев В.Д., Плеева Е.В., Шварц М.З., Высокоэффективные концентраторные (2500 солнц) AlGaAs/GaAs-солнечные элементы. // Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 9

47. Хвостиков В.П., Лунин Л.С., Ратушный В.И., Олива Э.В., Шварц М.З., Хвостикова О.А., Фотопреобразователи на основе GaAs/Ge гетероструктур, полученных методом низкотемпературной ЖФЭ // Письма в ЖТФ, 2003, том 29, вып. 14

48. Касымахунова A.M., Набиев М., Фототермоэлектрические преобразователи концентрированного излучения // Письма в ЖТФ, 2003, том 29, вып. 6

49. Рудь В.Ю., Хвостиков В.П., Фоточувствительность гетерофотоэлементов GaAlAs/GaAs в линейно поляризованном свете // Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 6

50. Комащенко А.В., Колежук К.В., Горбик П.П., Май Н.О., Шереметова Г.И., Высокоэффективные фотопреобразователи на основе поликристаллических гетероструктур соединений A"BVI // Письма в ЖТФ, 2000, том 26, вып. 5

51. Ботнарюк В.М., Коваль А.В., Рудь В.Ю., Симашкевич А.В., Щербан Д.А., Поляризационная фоточувствительность кремниевых солнечных элементовс просветляющим покрытием из смеси оксидов индия и олова. // Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 7

52. Барвинок В.А., Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий. // М.: Машиностроение, 1990.

53. Кудинов В.В., Плазменные покрытия. // М.: Наука, 1977.

54. Кудинов В.В., Бобров Г.В., Нанесение покрытий напылением // Теория, ф технология и оборудование. М.: Металлургия, 1992.

55. Кудинов В.В., Пузанов А.А., Замбржицкий А.П., Оптика плазменных покрытий. //М.: Наука, 1981.

56. Максимович Г.Г., Шатинский В.Ф., Копылов В.И., Физико-химические процессы при плазменном напылении и разрушении материалов с покрытиями. //Киев: Наукова думка, 1983.

57. Тушинский Л.И., Плохов А.В., Исследование структуры и физикоМ механических свойств покрытий. // Новосибирск: Наука, 1986.

58. Хасуй А., Техника напыления. // Машиностроение, 1975.

59. Хасуй А., Моригаки О., Наплавка и напыление. // М.: Машиностроение,1985.

60. Ouchi К. Recent Advancements in Perpendicular Magnetic Recording. // IEEE Trans. Magn., 2001, v. 37, № 4-1, p. 1217-1221.

61. Карпенков C.X. Материалы для магниторезистивных преобразователей. ,ф II Электроника: НТБ, 2002, № 2, с. 6667.

62. Iwasaki S. History of Perpendicular Magnetic Recording. // J. Magn. Soc. Japan, 2001, v. 25, № 7, p. 1361-1369.

63. Selmyer D.J., Luo C.P., Yan M.L. et al. HighAnisotropy Nanocomposite Films for Magnetic Recording. // IEEE Trans. Magn., 2001, v. 37, №4-1, p. 12861288.

64. Yamanaka К., Hamamoto Т., Nakano Y. et al. High Mr squareness and Exchange Decoupled Perpendicular Recording Media. // IEEE Trans. Magn., 2001, v. 37, №4-1, p. 1599-1601.

65. Onoue Т., Asahi Т., Kuramochi. et al. CoCrPtTa and Co/Pd Perpendicular Magnetic Recording Media with Amorphous Under layers. // IEEE Trans. Magn., 2001, v. 37, №4-1, p. 1592-1594.

66. Ikeda Y., Sonode Y., Zeltzer G. et al. Medium Noise and Grain Size Analysis of CoCrPt/Ti Perpendicular Media. // IEEE Trans. Magn., 2001, v. 37, № 4-1, p. 1583-1585.

67. Ariake J., Kiya Т., Honda N. et al. Preparation of Double Layerd Perpendicular Recording Media with Extremaly High Resolution. // IEEE Trans. Magn., 2001, v. 37, № 4-1, p. 1573-1576.

68. Jeong S., Hsu Y.M., Laughlin D.E., et al. Atomic Ordering and Coerceivity Mechanism in FePt and CoPt Polycristalline Thin Films. // IEEE Trans. Magn., 2001, v. 37, №4-1, p. 1299-1301.

69. Suzuki Т., Kasuhira O. Sputter Deposited (FePt)MgO Composite Films for Perpendicular Recording Media. // IEEE Trans. Magn., 2001, v. 37, № 4-1, p. 12831285.

70. Кондратов H.M. Резистнвные материалы. // Обзоры по электронной технике. Сер. Материалы, 1979, вып.4, с.36.

71. Сейдман JI.A. Способы управления процессом реактивного магнетронного распыления с помощью вольтамперных характеристик разряда. Труды постоянно действующего семинара "Электровакуумная техника и технология" // Под ред. .В. Горина. // М.: 1999. 168с.

72. Берлин Е.В., Воробьев А.Н., Сейдман JI.A. Получение чередующихся слоев диэлектриков на основе кремния. // Электроника: НТБ, 2002, №5, с.50-52.

73. Lee Seung Yoon, Park Chang Mo, Ahn Jinho. Jap. J. Appl. Phys. Deposition and characterization of Та, TaNx and Ta4B films for next-generation lithography mask applications.//Pt 1.2000.

74. P.K. Larsen, G.J.M. Dormans. Microelectronic Engineering // Eds. 1995. V.

75. Ferroelectric Thin Films. NATO ASI Series (E), 1995. V. 284.

76. Ю.В.Панфилов. Оборудование для нанесения тонких пленок в вакууме // Тез. докл. 14-го Международного симпозиума «Тонкие пленки в оптике и электронике», том 1,22апреля 26 апреля 2002 г., Харьков, 2002, с. 205.

77. О.А. Геращенко, А.Н. Гордов, А.Н. Еремина. Температурные измерения: Справочник. // Киев: Наукова Думка, 1989, с. 206.

78. ZaisevA.G., Kutsner R., Wordenweber R. //Appl. Phys. Lett. 1995. V. 67.

79. Cole B.F., Liang G.-C., Newman N. et al. //Appl. Phys. Lett. 1992. V. 61.щ 88. Owens J.M., Tarte E.J., Beghniur P., Somekh R.E. // IEEE. Tr. Appl. On

80. Superconductivity. 1995. V. 5. P. 1657.1660.

81. Wycko R.W.G. Crystal Structures. Interscience Publishers // Ed. by John. Wileyand Sons, Inc 1964. V. 2. P. 310.

82. N. Mardeesich. In: Proc 15th IEEE Photovoltaic Spec. Conf. (Kissimee, 1981) // IEEE El. Dev. Lett., 4,446 (1981).ф 91. E. Aperathirtis, Z. Hatzpoulos, M. Androulidaki, V. Foukaraki, A. Kondilis,

83. C.G. Scott, D. Sands, P. Panayotatos. Sol. Energy Mater. // Solar Cells, 45, 161 (1997).

84. S.M. Sze. Physics of Semiconductors Devices N.Y. I I Willey Interscience Publ., 1981.

85. A. Shileika. Surf. Sci., 37,730 (1973).

86. H. Ohta, H. Miroguch, M. Hirano. // Appl. Phys. Lett., 82, 823 (2003).ф 95. G.A. Medvedkin., Yu.V. Rud. Phys. St. Sol. (a), 67, 333 (1981).

87. Francis F. Chen.Industrial applications of low temperatures plasma physics. // Phys. Plasmas vol. 2, n. 6, June 1995, pp. 2164 - 2175.

88. N. Singh, R.Kist, H.Thiemann. Experimental and numerical studies on potential distributions in a plasma.//PI. Phys., vol. 22, 1980, pp. 695-707.

89. JI. А Арцимовича. Плазменные ускорители // M.: Машиностроение,1973.

90. Данилин Б. С., Неволин В. К., Сырчин В. К. Исследование магнетронных систем ионного распыления материалов. // Электронная техника. Сер. Микроэлектронника, 1977, вып. 3 (69), с. 37-44.

91. Данилин Б. С., Сырчин В. К. Магнетронные распылительные системы. // М.: Радио и связь, 1982.• 101. L. Vriens. Energy balance in low pressure gas discharges. // J. Appl. Phys.vol. 44, n. 9, September 1973, pp. 3980 3989.

92. J. -P. Boeuf. A two dimensional model of dc glow discharges. // J.Appl. Phys. vol. 63, n. 5, March 1998, pp. 1342 - 1349.

93. S. Maniv. Generalization of the model for I V characteristics of dc sputtering discharges. // J. Appl. Phys. vol. 59, n. 1, January 1986, pp. 66 - 70.

94. W. D. Westwood, S. Maniv. The current voltage characteristic of ф magnetron sputtering systems. //J. Appl. Phys. vol. 54, n. 12, December 1983, pp.6841 -6846.

95. K. Kuwahara, H. Fujiyama. Application of the Child Langmuir Law to Magnetron Discharge Plasmas. // IEEE Trans. Plasma. Sci., vol. 22, n. 4, August 1994, pp. 442-448.

96. Т. E. Sheridan, M. J. Goeckner, J. Goree. Electron distribution Functions in a sputtering Magnetron Disharge. // Jap. J. Appl. Phys., vol. 34, P. 1, п. 9A, September 1995, pp. 4977 4982.

97. Ф 109. Tsutomu Muira, Tatsuo Asamaki. A theory on planar magnetrondischarge. //Thin Solid Films 281-282, 1995, pp. 190- 193.

98. F. A. Green, B. N. Chapman. Electron effects in magnetron sputtering. J. Vac. // Sci. Technol., vol. 13, n. 1, January/February 1976. pp. 165168.

99. J. G. Kirk, D. J. Galloway. The evolution of a test particle distribution in a strongly magnetized plasma.//PI. Phys., vol. 24. n. 4, 1982, pp. 339-359.

100. N. D' Angelo, M. J. Alport. On "anomalously" high ion temperatures in plasma discharges. // PI. Phys., vol. 24. n. 10, 1982, pp. 1291 1293.

101. M. Katsch, K. Wiesmann. Relaxation of supratermal electrons due to coulomb collisions in a plasma. // PI. Phys., vol. 22, 1980, pp. 627 638.