CC BY
11УДК 621.793.18
С.А. Аль-Тхуаели,р.А. Рабаданов, А.М.Иамаилов, И.Ш.Алиев
Синтез эпитаксиальных пленок оксида цинка методом магнетронного распыления в условиях воздействия потока микрочастиц на ростовую поверхность
Дагестанский государственный университет;egdada@,mail.ru
Приведены результаты экспериментовпо синтезу эпитаксиальных пленок оксида цинка (ZnO (O001)//Al203 (0001)) в режиме распыления керамической мишени ZnO в атмосфере кислорода при больших плотностях разрядного тока (/>60 мА/см2). Установлено, что эмитируемые с поверхности мишени микрочастицы, попадая на подложку, участвуют в процессах формированиярастущей пленки. С помощью парной корреляционной функцииоценена степень упорядоченности в расположении микрочастиц на поверхности пленки.
Ключевые слова: распыление, оксид цинка, микрочастица, эпитаксия.
Experimental results of synthesis of epitaxial zinc oxide films (ZnO (0001) //Al203 (0001)) in condition of dispersion of the ceramic target ZnO in oxygen atmosphere at the high density of a discharge current (/>60мА/ст2) are presented. It is determined that microparticles, which are emitted from the target, getting on a substrate, are participate in processes of formation of the growing film. By means of pair correlation function orderliness degree in an arrangement of microparticles on a film surface is estimated.
Keywords: sputtering, zinc oxide, microparticle, epitaxy.
Введение
Оксид цинка (2п0) является уникальным полупроводниковым материалом и привлекает внимание исследователей в связи с обширной сферой практических применений. 2п0 перспективен для изготовления светодиодов и лазеров в ультрафиолетовой области спектра, газовых сенсоров, солнечных батарей, сцинтилляторов, пьезоэлектрических устройств. Однако остающиесяв настоящее времятехнологические проблемы получения монокристаллов и пленок с необходимыми и воспроизводимыми свойствами препятствуют широкому использованию 2п0 в электронике.
Метод магнетронного распыления относится к одному из часто применяемыхметодовдля получения тонких пленок оксида цинка [1-3].Элементарный акт ростового процесса начинается с распыления мишени и завершается внутреннимифизическими и химическими процессами-формирования пленки заданного состава и определенной структуры. Из-за большого количества технологических факторов, влияющих на структуру и свойства получаемых пленок, чисто расчетное описание условий работы ростовой техники и режимов синтеза становится невозможным. В данной работе представлены экспериментальные факты, обнаруженные нами впервые в процессе получения пленок 2п0 методом магнетронного распыления при наличии микрометровых частиц в потоке распыляемого вещества.
Методика получения и исследования пленок
Пленки 2п0 получались в классической планарной магнетронной распылительной системе в атмосфере кислорода. Распыляемый диск представлял собойспеченную керамическую таблетку 2п0 диаметром 40 и толщиной 4 мм. Площадь зоны эрозиимишени составляла 5 см2. Плотность тока на мишень менялась в интервале от 10 до 120 мА/см2. В качестве подложки ис-пользовалисьмонокристаллические пластины А1203 (0001) после предварительной модификации их поверхности с целью облегчения эпитаксиального роста. Температура подложки могла изменяться до 700 оС с точностью 5 оС за счет резистивного нагрева подложкодержателя. Контроль температуры подложки осуществлялся хромель-алюмелевой термопарой.
Морфология поверхности и толщинапленок определялись с помощью микроинтерферометра МИИ-4. Для оценки структурного совершенства и определения ориентации пленок использовался электронограф ЭГ-75. При построениипарной корреляционной функции была использована программа, приведенная в [4].
Экспериментальные результаты и обсуждение
В режиме осаждения пленок 2п0 при плотностях разрядного тока /<30мА/см2 их поверхность оптически гладкая. После продолжительной (2-3 часа) тренировки мишени при повышенных плотностях разрядного тока (>60 мА/см2) формирование эпитаксиальных пленок 2п0 идет с участием микрочастиц, о чем свидетельствуют результаты исследования морфологии (рис.1 а, б, в, г).
Распыляемые с поверхности твердого тела частицы - преимущественно нейтральные атомы, некоторую долю которых составляют конгломераты атомов (кластеры), а также ионы. Имеются сообщения [5] об испускании микрочастиц, состоящих примерно из 103 атомов, происхождение которых приписывают очень плотным приповерхностным столкновительным субкаскадам. Эмиссия частиц еще больших размеров, состоящих из 1010 и более атомов и называемых «чанками», не может быть объяснена в рамках столкновительногораспыления. В данном случае предполагают, что на поверхности мишеней, эмитирующих микрочастицы, находились предварительно сформированные многочастичные образования.
В нашем случае появление микрочастиц на ростовой поверхности обусловлено их эмиссией с поверхности мишени благодаря развитию поверхностной топографии при больших плотностях разрядного тока (/>60 мА/см2). Случайная ориентация зерен на поверхности поликристаллической мишени создает разрывные изменения скорости эрозии на границах зерен. Это, по-видимому, ип-риводит к образованию выступающих заостренных структур, которые отчетливо наблюдаются в оптический микроскоп. Из-за уменьшенного теплообмена кончики начинают плавиться, и в результате испускается микрочастица. Вероятность формирования микрочастиц непосредственно на ростовой поверхности и на этапе переноса распыленного материала в пространстве мишень-подложка очень мала вследствие низкой плотности потока распыляемого вещества.
Рис.1. Оптические снимки сразных участков поверхности эпитаксиальной пленки Zn0, полученной при температуре подложки 650 0С
Снимки на рисунке 1 (а, б, в, г) сделаны с разных участков одного и того же образца. Статические картины, изображенные на рисунках, дают представление о «прерванной» динамике процессов формирования пленки с участием микрочастиц. Из рисунков видно, что разброс микрочастиц по размерам практически отсутствует и они имеют круглую форму.
Особое внимание привлекают «замороженные» стадии образования микрочастиц из более крупных частиц («зародышей») и дальнейший их рост за счет стекания к ним частиц из ближайшего окружения. Если условно принять микрочастицу за адатом, то здесь прослеживается аналогия с последовательностью процессов возникновения и роста зародышейна атомарно-молекулярном уровне протекания начальных стадий образования пленок. Данные закономерности хорошо изуче-ныпри конденсации пленок непосредственно в электронном просвечивающем микроскопе [6].
Из приведенных выше рисунков также видно, что некоторая доля микрочастиц образует цепочечные структуры небольших размеров ив целом в расположении микрочастиц прослеживается определенная упорядоченность. При описании подобных структур строят парнуюкорре-ляционную функцию, по которой можно судить о степени «дальности» порядкаструктуры. На рисунке 2 представлена такая функция, построеннаядля упорядоченного массива микрочастиц, обведенных кружком, на рисунке 1а. Первые два максимума отражаютналичие «ближнего» порядка в расположении микрочастиц, а последующие незатухающие осцилляции свидетельствуют о наличии элементов фрактальной структуры.
-п— ас
"П— HÜ
—I
4Ü
Г", к7!
Рис.2. Парная корреляционная функция, построенная для упорядоченного массива микрочастиц
Упорядоченный массив микрочастиц следует рассматривать как самоорганизованную структуру, реализованную спонтанно в многочастичной системе при определенных условиях. Возможно, что ключевую роль здесь играет зарядка ростовой поверхности электронами (подложка находится в области горения магнетронного разряда и заряжается плавающим потенциалом). Возникновение и дальнейшая эволюция самоорганизованных структур должны соответствовать состояниям, отвечающим минимуму потенциальной энергии. При выборе оптимизированного парного потенциала взаимодействия микрочастиц следует учитывать их электростатическую составляющую энергии взаимодействия.
Рис.3. Электронограмма на отражение от эпитаксиальной пленки 2п0,полученной при температуре 650 С
Заслуживает внимания и сам факт роста эпитаксиальных пленок 2п0 при таком механизме формирования пленки. Анализ электронограммы (рис. 3) показал, что базисная плоскость
(0001) ZnO параллельна плоскости подложки (0001) Л120з. Формирование упорядоченных структур из микрочастиц и последующее образование из них «зародышей» являются основанием для утверждения о том, что микрочастицы сравнительно быстро перемещаются по поверхности подложки. При этом контакт двух и более микрочастиц приводит с определенной вероятностью к их объединению и к уменьшению коэффициента диффузии для образовавшейся частицы. Такая частица служит стоком для микрочастиц, и за счет этого она разрастается до относительно больших размеров, приобретая шаровиднуюформу(рис.1 г). Совокупность таких частиц образует эпитаксиальную пленку, что возможно только при допущении их вращательной (в плоскости подложки) степени подвижности. Можнотакже утверждать, что частично конденсация пленок идет по механизму «жидкость-кристалл», в отличие от характерного для газофазных методовосаждениясхемы «пар-кристалл».
Отметим, что при синтезе тонких пленок методом импульсного лазерно-плазменного напыления в потоке частиц на подложку, генерируемых лазерным факелом, присутствует большое количество твердых и жидких микрочастиц [7]. Их попадание на ростовую поверхность значительно ухудшает структурное совершенство и морфологию получаемых пленок. Поэтому принимают специальные меры (механический фильтр, пересекающиеся пучки) для предотвращения попадания капель на поверхность выращиваемой пленки. Возможно, что прирасположении подложки в области плазменного факела отпадет необходимость в сепарации потока частиц на ростовую поверхность и получаемые пленки будут обладать высоким структурным совершенством.
Заключение
При плотностях разрядного тока j> 60 мА/см2 на мишень ZnO развивается топология поверхности распыляемой мишени, и она становится способной эмитировать микрочасти-цы.Микрочастицы, попадая на ростовую поверхность, образуют самоорганизованную упорядоченную структуру.
Получены эпитаксиальные пленкиZn0 базисной ориентации на подложке (0001)Л1203. Формирование эпитаксиальной пленки частично идет за счет образования зародышей шаровидной формы из микрочастиц, что дает основание предположить схему конденсации - «жидкость-кристалл».
Предполагается, что ключевую роль в формировании эпитаксиальных пленок с участием микрочастиц играет зарядка подложки плавающим потенциалом в плазме магнетронного разряда.
Работа выполнена при поддержке ЦКП «Аналитическая спектроскопия», ГК № 16.552.11.7051 по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы» и ГК № 02.740.11.0397.
Литература
1. Hoon, Jian-Wei et al. Zinc Oxide Thin Films Fabricated with Direct Current Magnetron Sputtering Deposition Technique// AIP Conference Proceedings. - V. 1328 (1). -American Institute of Physics. - 2011.- Mar 30.
2. Flores-Mena E. et al.Physical properties of ZnS thin films grown on GaAs by RF magnetron sputtering // Acta Cryst.- 2011.- A67. -Р. 408.
3. Singh S. et al. Substrate temperature dependence of growth mode, microstructure and optical properties of highly oriented zinc oxide films deposited by reactive sputtering //Thin Solid Films. -2008. -V. 517. - P. 661-669.
4. Исмаилов А.М., Магомедов М.А. Свидетельство о государственной регистрации про-граммыдля ЭВМ / №2011611244, 2011.
5. Распыление под действием бомбардировки частицами. Вып. III /Характеристики распыленных частиц. Применения в технике: пер. с анг. / под ред. Р. Бериша и К. Витмака. - М.: Мир, 1998.- 551 с.
6. Чопра К. Л.. Электрические явления в тонких пленках. -М.: Мир, 1972. - 426 с.
7. Панченко В.Я., Новодворский О.А., Голубев В.С. Создание высококачественных нано-метровых пленок по технологии лазерно-плазменного напыления // Перспективные материалы. Специальный выпуск, сентябрь 2007: в 2 т. - С. 39-52.
Поступила в редакцию 14 декабря 2011 г.
