Кинетические особенности получения пленок твердого раствора (SiC) 1- x(aℓn) x ионным распылением Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ

УДК 537.9:539.23

КИНЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК ТВЕРДОГО РАСТВОРА (SiC)i-x(AlN)x ИОННЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ

© 2013 г. Н.И. Каргин, Г.К. Сафаралиев, Н.А. Харламов, Г.Д. Кузнецов, С.М. Рындя

Каргин Николай Иванович - д-р техн. наук, профессор, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва, начальник УРПИ (Управление развития перспективных исследований). E-mail: [email protected]

Сафаралиев Гаджимет Керимович - д-р физ.-мат. наук, член-корр. РАН, профессор, Дагестанский государственный университет, г. Махачкала E-mail: [email protected]

Харламов Николай Александрович - аспирант, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва. E-mail: [email protected]

Кузнецов Геннадий Дмитриевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра ТМЭ, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва. E-mail: prof-kuznetsov@ yandex.ru

Рындя Сергей Михайлович - ФГУП «Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова», г. Москва. E-mail: ryndya_sm @mail.ru

Kargin Nikolai Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, professor, NRNU MEPHI, chief of URPI (Office of Advanced Studies), Moscow. E-mail: [email protected]

Safaraliev Gadzhimet Kerimovich - Doctor of Physical and Mathematical Sciences, professor, Dagestan State University, Makhachkala. E-mail: [email protected]

Kharlamov Nikolai Alexandrovich - post-graduate student, National Science and Technology University «MISIS», Moscow. E-mail: [email protected]

Kuznetsov Gennady Dmitrievich - Doctor of Technical Sciences, professor, department TME, National Science and Technology University «MISIS», Moscow. E-mail: prof-kuznetsov@ yandex.ru

Ryndya Sergey Mikhailovich - Karpov Institute of Physical Chemistry, Moscow, E-mail: ryndya_sm @mail.ru

Исследовалась кинетика распыления многокомпонентной прессованной мишени для получения твердых растворов (SiC)1-x(AlN)x методом магнетронного распыления. Рассмотрены классическая (молекулярная) и кластерная модели распыления мишени. Показаны зависимости скорости и коэффициента распыления от параметров системы (плотности ионного потока, энергии ионов), а также от размеров кластера. Достигнута высокая корреляция расчетных и экспериментальных результатов.

Ключевые слова: твердые растворы; карбид кремния; нитрид алюминия; магнетронное распыление; кластерная модель; кинетика распыления.

Authors studied sputtering kinetics of multicomponent ПРЕССОВАННОЙ target for (SiC)1-x(AlN)x solid solutions fabrication by the means of magnetron sputtering. Classical (molecular) and cluster models were studied. Graphs of sputtering rate and sputtering coefficient versus system parameters (ion flow density, ion energy) and size of clusters are presented. High level of correlation between theoretical and experimental results was achieved.

Keywords: solid solution; silicon carbide; aluminum nitride; magnetron sputtering; cluster model; sputtering kinetics.

Введение

Одним из направлений развития электроники является использование широкозонных полупроводников на основе твердых растворов карбида кремния для создания приборов с повышенной стойкостью к различным внешним воздействиям (тепловому, механическому, радиационному). Наиболее перспективными для этих целей являются твердые растворы ^С)1-Х(АШ)Х. Разработка приборных устройств подразумевает получение тонкопленочных гетерокомпо-зиций многокомпонентных материалов с заданным составом, структурой и электрофизическими параметрами. Существующие на сегодняшний период основные методы получения пленок твердых растворов

(БЮ)1-;с(А1Ы);с, включая эпитаксию, - это сублимация и жидкофазная эпитаксия - имеют ряд существенных недостатков. Для сублимационного метода характерны такие недостатки, как весьма высокая температура процесса (более 2000 °С), относительно низкая воспроизводимость состава твердого раствора. Метод жидкофазной эпитаксии имеет присущие ему недостатки, включая значительную трудность в подборе легирующей примеси, управление степенью легирования и геометрическими параметрами растущего слоя (толщина, равномерность).

В последние годы проводятся исследования по использованию магнетронного распыления мишени для получения пленок твердого раствора ^С^^АШ)*

[1, 2]. Получены обнадеживающие результаты по получению монокристаллических слоев ^С)о,7(АМ)о,3 на монокристаллической подложке карбида кремния при температуре более 1000 °С [3 - 4].

В настоящей работе рассматриваются особенности кинетики роста пленок твердого раствора ^СУ^АМ)* при ионном распылении многокомпонентной мишени и возможности теоретического ее прогнозирования.

Методики эксперимента

В качестве материала мишени использовались поликристаллические таблетки твердого раствора SiC - АШ с содержанием АШ (: = 0,3 и 0,5), предоставленные Дагестанским государственным университетом. Мишени были получены холодным прессованием субмикронных порошков SiC и АШ при давлении 4 МПа с последующим спеканием при температуре 1700 - 1800 °С в атмосфере азота в течение 60 мин [4]. Рентгеновская дифрактометрия показала, что материал мишени состоит из двух гексагональных фаз. Эти фазы отличаются периодами решеток и встречаются как для SiC, так и для АШ. Количественно фаза 2Н составляет 98 %, 4Н - 2 % (рис. 1).

Подложками служили монокристаллические пластины кремния и карбида кремния. Осаждение пленок осуществлялось с помощью магнетрона постоянного тока планарного типа без предварительного нагрева подложки. Рабочим газом служил аргон высокой чистоты. Плотность ионного тока изменялась в пределах 5 - 10 мА/см2 при энергии ионов 400 - 800 эВ. Толщину пленок определяли интерферометрическим методом. Состав пленок определялся методом вторично-ионной масс-спектрометрии.

Результаты и обсуждение

Кинетика роста пленок. Проведены исследования скорости получения пленок твердого раствора ^ЮУ^АШ)* в зависимости от энергии бомбардирующих мишень ионов Аг+ (рис. 2) и плотности ионного тока (рис. 3).

Отметим, что различия в скорости получения пленок твердого раствора ^ЮУ^АШ)* при различном исходном составе мишени в пределах ошибки измерений не наблюдается. Погрешность результатов не превышает 10 %.

Как и следовало ожидать, скорость нанесения пленок возрастает практически линейно с ростом энергии ионов и плотности ионного тока.

Расчетные результаты. Для прогнозирования кинетики роста пленок твердого раствора при ионном распылении мишени были проведены расчеты коэффициента и скорости распыления. Использовалось два подхода к расчетам - молекулярный и кластерный. Расчеты проводились по известным формулам для оценки эффективного коэффициента распыления:

"^эф -

3aMjM 2 Еи

n\Ml + M 2)22Ecy6

где а - безразмерный коэффициент; Еи - энергия иона; Есуб - энергия сублимации; М\ и М2 - масса иона и масса атома мишени соответственно.

Для расчета скорости распыления использовалась

формула Vp -

1,04 -10 j S (Еи)М 2

где j - плот-

ность ионного тока; р териала.

Р

плотность распыляемого ма-

3e+004

2e+004

1e+004

0e+000

Meas. data:SiC-Al-N/Data 1

Ii

X

40 60 80

2-theta ^ед)

Рис. 1. Рентгеновская дифрактограмма мишени

100

J U 120

Vp, нм/с

300

360

420

480

540

Еи, эВ

ся. Зависимость ^ф от размера кластера, оцениваемая по экспериментальным результатам, имеет экстремальный характер, а максимальный размер кластера составляет 4 - 5 нм. Такой вывод удовлетворительно согласуется с экспериментальными результатами по скорости нанесения пленок.

S.

Рис. 2. Зависимость скорости получения пленок твердого раствора (БЮ^-^ЛШ)* (Ур) от энергии ионов Аг+ (Еи): 1 -экспериментальные результаты; 2 - расчетные результаты (кластерная модель); 3 - расчетные результаты (классическая модель). Плотность ионного тока составляла 8 мА/см2

I р, нм/с 0,16

Еи, эВ

Рис. 4. Зависимость эффективного коэффициента распыления 5эф от энергии бомбардирующих ионов Аг+ Плотность ионного тока 8 мА/см2

S.

0 0 }и, мА/см2

Рис. 3. Зависимость скорости получения пленок твердого раствора (ВЮ^.^АШ)* (Ур) от плотности ионного тока (и). Энергия ионов составляла 500 эВ: 1 - экспериментальные результаты; 2 - расчетные результаты (кластерная модель); 3 - расчетные результаты (классическая модель). Плотность ионного тока составляла 8 мА/см2

Особенностью расчетов для многокомпонентных материалов является то, что необходимо принять определенную величину М2 и Есуб. Были сделаны допущения, что под массой М2 понимается средняя величина распыляемой молекулы или кластера ^С, АШ, твердый раствор ^СУ^АШ)* при различном значении х). Для энергии сублимации Есуб твердого раствора принималась средняя величина между БЮ и АШ. Основная идея расчетов состояла в том, чтобы обосновать выбор значения М2 (масса кластера), использование которого максимально коррелирует с экспериментальными результатами. Эффективный коэффициент распыления определяется из экспериментальных результатов и скорости получения пленок.

На рис. 4 представлена зависимость 5эф от энергии бомбардирующих ионов Аг+, а на рис. 5 зависимость 5эф от размера возможного кластера. Результаты показывают, что набольшая корреляция между экспериментальными и расчетными данными наблюдается при использовании кластерного подхода к механизму распыления, а не молекулярного. С увеличением энергии ионов эта закономерность сохраняет-

d, нм

Рис. 5. Зависимость эффективного коэффициента распыления 5эф от размера кластера d. Энергия ионов составляла 500 эВ

Состав получаемых пленок. Проведены исследования химического и фазового составов пленок, полученных ионным распылением мишени твердого раствора, соответствующего составу (ВЮ)0,7(АШ)0,3 при плотности ионного тока 4 и 8 мА/см2. Энергия ионов составляла ~ 450 эВ.

Рентгенодифракционный анализ показал, что пленки состоят из гексагональной фазы твердого раствора. Рентгеноспектральный анализ элементарного состава пленок показал, что имеется определенное соответствие состава мишени составу пленок. В табл. 1 представлены результаты элементного состава пленок, полученных при плотности ионного тока 4 и 8 мА/см2 (табл. 1). Анализ полученных результатов позволяет также отметить, что при температуре подложки примерно 200 - 250 °С формируются поликристаллические слои. Основное отличие в элементном составе исследованных пленок состоит в меньшем содержании А1 и N по сравнению с составом мишени, при меньшей в 2 - 3 раза плотности ионного тока, т.е. при меньшей скорости распыления материала мишени.

При плотности ионного тока 8 мА/см2, обеспечивающего наибольшую скорость нанесения пленки, содержание А1 и N наиболее близко к составу исходной мишени (~ на 10 - 15 %) меньше, чем в исходной мишени).

0,6

0,5

0,4

0

2

3

4

Таблица 1

Элементный состав пленок ^С)0,7(АШ)0 з при плотности ионного тока 4 и 8 мА/см2

Элемент Содержание в пленке, ат. %, при плотности тока

4 мА/см2 8 мА/см2

Si 42 39

C 38 35

Al 11 14

N 9 12

Для определения состава пленок по толщине были проведены масс-спектрометрические исследования на установке МС-7201. Использовался первичный пучок ионов Аг+ с энергией 5,5 кэВ. Условия получения пленки твердого раствора соответствовали нанесению слоев с наибольшей скоростью, т.е. при плотности ионного тока 8 мА/см2 и энергии 450 эВ. В табл. 2 представлены результаты анализа состава приповерхностного слоя в пределах 5 - 10 нм и на толщине 210 - 240 нм.

Таблица 2 Состав приповерхностного слоя

Элемент Послойный состав поверхности, мольный %

5 - 30 нм 210 - 240 нм

Si 38,3 45,7

C 34,3 38,9

Al 14,6 13,4

N 12,8 2,0

Данные показывают, что содержание элементов твердого раствора в приповерхностном слое весьма близко к составу мишени в пределах ошибки анализа (~ 5 %). На толщине 210 - 240 нм отмечается практически примерно в 10 раз меньшее содержание азота, чем в исходной мишени. Следует отметить, что в составе нанесенных слоев при используемых мишени и условий нанесения присутствует примерно от 1,5 до 2,0 мольных процентов неконтролируемых примесей (натрий, магний, железо, кальций и калий).

Полученные результаты по кинетике получения пленок твердого раствора (БЮ^^АТЫ)* ионным распылением соответствующей мишени показывают, что скорость роста, химический и фазовый состав слоя в

Поступила в редакцию

значительной степени зависят от основных параметров процесса, включая энергию ионов и плотность их потока на поверхность и используемую систему ионного распыления. Для прогнозирования кинетики роста слоя необходимо использовать кластерную модель распыления.

Заключение

Получены экспериментальные и расчетные результаты по кинетике получения пленок твердого раствора (БЮ^^АТЫ)* магнетронным распылением мишеней на постоянном токе в потоке аргона. Показано, что наибольшее согласование экспериментальных и расчетных данных может быть получено при использовании кластерной модели распыления. Химический и фазовый составы пленок определяются плотностью ионного потока и энергией бомбардирующих мишень атомов. Дальнейшая возможность получения пленок по составу, максимально соответствующему составу мишеней, состоит в использовании ионного потока из аргона и азота.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ с применением оборудования центра коллективного пользования «Гетеро-структурная СВЧ-электроника и физика широкозонных полупроводников» НИЯУ МИФИ.

Литература

1. Сафаралиев Г.К. Твердые растворы на основе карбида кремния. М., 2011. С. 296.

2. Кузнецов Г.Д., Евсеев В.А., Харламов Н.А., Билалов Б.А. Оценка параметров межмолекулярного взаимодействия в системе (SiC)1-x(AlN)x // Труды Ш Междунар. науч.-техн. конф. «Микро- и нанотехнологии в электронике». Нальчик, 2010.

3. Кузнецов Г.Д., Билалов Б.А., Сафаралиев Г.К., Симакин С.Б. Возможности ионного распыления для получения плёнок твердых растворов на основе карбида кремния // Труды IV Российско-Японского семинара «Перспективные технологии и оборудование для материаловедения, микро- и наноэлектроники». М., 2006.

4. Гусейнов М.К., Курбанов М.Б., Сафаралиев Г.К., Била-лов Б.А. Получение пленок твердых растворов (SiC)1-x(AlN)x методом магнетронного распыления // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 31, № 4. С. 13 - 16.

6 мая 2013 г.